Locomotive électrique
Une locomotive électrique est une locomotive mue par des moteurs électriques. Ceux-ci sont alimentés soit, cas le plus général, par une ligne de contact aérienne, soit par un troisième rail (notamment dans les métros), ou parfois par des accumulateurs de bord. Une locomotive électrique peut être monocourant (alimentée par un seul type de courant) ou bien polycourant, c'est-à-dire apte à utiliser plusieurs types de courant (le plus souvent bi- ou tricourant).
Les locomotives électriques actuelles vont de petites machines à piles utilisées dans les mines à de puissantes locomotives de ligne de 6 MW ou plus.
En fait la plupart des locomotives modernes sont propulsées électriquement. Les locomotives électriques sont celles qui captent leur courant d'une ligne de tension extérieure alors que locomotives Diesel-électriques produisent leur propre électricité à l'aide d'un moteur à pistons.
Histoire
La première locomotive électrique connue, alimentée par des piles électriques, a été construite en 1837 par un chimiste écossais d'Aberdeen, Robert Davidson. Davidson a par la suite construit une locomotive plus grosse, appelée Galvani et présentée à l'exposition de la Société écossaise royale des arts en 1841. Cette machine de 7 tonnes avait 2 moteurs à reluctance variable en prise directe sur les essieux. Alimentée par batteries, elle a tiré un train de 6 tonnes à 6 km/h sur plus de 2 kilomètres. Elle aurait été détruite par des employés de la compagnie Edinburgh and Glasgow Railway qui l'ont perçue comme une menace pour leur emploi[1].
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Train de démonstration de Werner von Siemens, 1879 -
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En 1879 à Berlin, Werner von Siemens fait rouler un train de démonstration tracté par une locomotive électrique sur un circuit circulaire de 300 m. C'est le premier train à traction électrique transportant des passagers. La petite locomotive électrique était entraînée à 13 km/h par un moteur série de 2,2 kW alimenté en 150 V continu par 3e rail sur lequel roulait un galet collecteur.
En 1881 à Paris, le même Werner von Siemens fait la démonstration d'une alimentation par ligne de contact aérienne. La même année le premier tramway électrique est mis en service à Lichterfelde. Les véhicules de 4 kW étaient alimentés en 180 V par les rails.
En 1883, le tramway entre Mödling et Hinterbrühl près de Vienne en Autriche est le premier service régulier sous caténaire. 5 ans plus tard Frank J. Sprague appliquera cette alimentation par caténaire au tramway de Richmond.
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Locomotive E 1 du chemin de fer de la Mure, 1903, alimentée par caténaire bipolaire + & -1 200 V.
En 1891, la première utilisation ferroviaire du courant alternatif est due à Charles Brown, ingénieur chez Oerlikon à Zurich, qui a relié Lauffen am Neckar à Frankfurt am Main (280 km) en utilisant un moteur triphasé. Brown a remarqué que ces moteurs triphasés bénéficiaient d'une meilleure puissance massique que les moteurs à courant continu du fait de l'absence de collecteur, étaient plus simples à produire et à maintenir. En revanche ils étaient plus volumineux et ne pouvaient pas être aménagés sous le plancher de la locomotive. En 1896, Oerlikon a réalisé la première application commerciale de cette technologie avec le tramway de Lugano dans le Tessin, électrifié en triphasé 750 V 40 Hz par une double ligne de contact. Les motrices de 30 t et 110 kW, bien adaptées aux fortes pentes de la ligne, fonctionnaient à une vitesse constante et fournissaient un freinage régénératif. En 1896-1898, Kálmán Kandó a également expérimenté le triphasé avec le funiculaire d'Évian-les-Bains (600 V)[2].
Le , le Burgdorf-Thun-Bahn devient le premier chemin de fer électrifié d'Europe, en triphasé 750 V 40 Hz. Les locomotives sont produites par la société Brown, Boveri & Cie.
La première implémentation du monophasé à fréquence industrielle remonte à 1901 avec les locomotives Oerlikon conçues par Hans Behn-Eschenburg et Emil Huber-Stockar pour la ligne Seebach — Wettingen (achevée en 1904). Les locomotives 15 kV 50 Hz de 48 t utilisaient des transformateurs et des convertisseurs rotatifs pour alimenter en courant continu les moteurs de traction[3].
Le , la Rete Adriatica met en service la ligne de la Valtellina dans le nord de l'Italie. Cette ligne a eu une renommée mondiale pour avoir été électrifiée en triphasé, un mode d'alimentation aujourd'hui abandonné (il fallait 2 lignes de contact) et surtout à haute tension : 3 000 V 15 Hz. Les locomotives étaient réalisées par Ganz à Budapest. La ligne est convertie au monophasé 15 kV 16 ²⁄₃ Hz le .
En 1903, le chemin de fer de la Mure met en service les Bo'Bo' E 1 à 5 , alimentées en courant continu par une double ligne de contact + & −1 200 V. Elle sera remplacée par une caténaire unique à 2 400 V en 1951.
Si les premières locomotives de manœuvre ou de banlieue étaient déjà de type Bo'Bo', la conception des grosses locomotives de ligne restait influencée par les locomotives à vapeur, avec de grandes roues motrices fixes et des essieux directeurs aux extrémités.
En 1955, deux motrices électriques ont battu le record de vitesse sur rail (331 km/h) : la BB 9004 et la CC 7107 de la Société nationale des chemins de fer français, sur une ligne droite et plate des Landes.
À partir des années 1970, l'apparition de l'électronique de puissance (thyristors GTO puis plus tard IGBT) a constitué un réel progrès de la traction électrique.
Technologie
Les locomotives électriques reçoivent leur énergie de l'extérieur sous forme de courant électrique, soit d'une caténaire au-dessus de la voie, soit d'un troisième rail au sol. Ce type d'alimentation (avec les centrales électriques à y associer) rend très cher l'équipement d'une voie. Mais les avantages de la traction électrique sont nombreux : coût d'entretien plus réduit que pour les locomotives diesel, accélération importante, freinage régénératif (freinage rhéostatique, où pendant que les moteurs sont devenus des génératrices, de l'énergie (puissance) est dissipée en chaleur dans un rhéostat (occasionnant une décélération), ou, freinage-récupération où la tension des moteurs, devenus génératrices par commande, est soit immédiatement utilisée pour la traction d'autre(s) motrice(s) ou emmagasinée temporairement dans des condensateurs). Elles sont appréciées pour le transport de voyageurs dans les zones densément peuplées et sont systématiquement utilisées pour les trains à grande vitesse (comme le TGV, Thalys, Eurostar, ICE ou Shinkansen) parce que les moteurs de forte puissance massique qui leur sont nécessaires sont faciles à embarquer dans le véhicule.
Les systèmes ferroviaires les plus modernes utilisent une source de courant alternatif à fréquence industrielle. Les moteurs électriques installés sont des moteurs asynchrones triphasés (EuroSprinter, Prima…) ou synchrones à aimants permanents (AGV…).
En France, la majeure partie du réseau ferré est équipée de caténaires alimentées en 25 kV 50 Hz. Cependant on trouve encore de vastes zones alimentées pour des raisons historiques en courant continu 1 500 volts sur le réseau ferroviaire français : une partie de la France de l'Ouest (gare Montparnasse), toute la France du Sud-Ouest (gare d'Austerlitz) et toute la France du Sud et du Sud-Est (gare de Lyon) à l'exception de la Côte d'Azur. Cette tension se retrouve en Afrique du Sud, en Suisse (pour les chemins de fer à voie étroite) et aux Pays-Bas. En milieu urbain et suburbain, le courant continu conserve sa prévalence en raison de sa facilité d'alimentation par des réseaux publics ou dédiés peu puissants, de l'absence de sections de séparation de phase très difficiles à insérer, de la diminution du coût des tunnels (1 mètre de diamètre en moins pour un monotube) ainsi que l'impossibilité réglementaire d'avoir des quais de plus de un mètre par rapport au plan de roulement(NFF77-100).
L'alimentation se fait en 3 000 volts continu en Italie, en Espagne, en Pologne, en Russie et en Belgique.
Les lignes du Sud de l'Angleterre sont alimentées en 750 volts continus par troisième rail.
L'Allemagne, l'Autriche, la Suisse, la Norvège et la Suède sont électrifiées en 15 kV 16 ²⁄₃ Hz.
Notes et références
- Renzo Pocaterra, Treni, De Agostini, 2003
- Kálmán Kandó (1869 - 1931) pionnier du courant monophasé 50 Hz en traction ferroviaire
- Duffy (2003: 124)
