André Mousset
L’énergie électrique provient du réseau luxembourgeois de tension 20 000V et de fréquence 50 Hz. C’est une tension alternative beaucoup trop grande pour que le tram puisse l’utiliser directement. Elle passe donc à travers des transformateurs qui abaissent la tension électrique progressivement jusqu’à 585 V.
Puis cette tension alternative est redressée, c’est-à-dire qu’elle est convertie en une tension continue de 750 V. Le redressement se fait dans des « sous-stations » situées tous les 2 km environ le long de la ligne du tram. Pour le moment, il y en a deux, l’une près de la « Luxexpo », l’autre près de la « Coque ».
Pourquoi le tram fonctionne-t-il à la tension continue ?
Au début du 20ième siècle, les premières machines électriques ont été à courant continu car leur commande en vitesse était très simple. Pour faire varier la vitesse des motrices les conducteurs plaçaient cran par cran des résistances en série avec le bobinage induit de ces mêmes motrices. (Tout moteur électrique comprend des électroaimants c.-à-d., du fil de cuivre bobiné autour d’un noyau de fer.)
Au Luxembourg on se souvient encore d’une consigne que le contrôleur donnait souvent à son conducteur : « Zéi en op 7 ». Ce qui voulait dire qu’il pouvait mettre le cran No 7, c.-à-d., accélérer au maximum.
Depuis, le progrès technique permettrait d’utiliser directement le courant alternatif. Pourtant l’alimentation urbaine en tension est restée inchangée. La première raison est que la tension alternative nécessaire serait plus importante, ce qui ne serait pas sans poser quelques problèmes de sécurité en centre-ville. Ensuite, la particularité du courant continu de nécessiter de nombreuses sous-stations n'est pas un inconvénient sur un tram, car en cas de perturbation sur un secteur, le courant n'est pas coupé sur la totalité de la ligne.
Combien d’énergie nécessite le tram ?
La majeure partie de l’énergie sert à faire tourner les 12 moteurs électriques d’une rame, de puissance maximale 70 kW chacun.
La puissance d’une sous-station est d’environ 1 MW, c’est-à-dire, qu’une énergie de 1 MJ y est injectée chaque seconde. Le réseau comprend pour le moment deux sous-stations alimentant toutes les rames qui circulent en même temps.
Le courant continu dans la LAC peut atteindre la valeur de 1200 A. A titre de comparaison, une machine à laver en plein travail est parcourue par 16 A, un démarreur de voiture par 200 A.
Le tram est-il économique ?
La société exploitante Luxtram a publié un dossier comprenant les résultats d’une comparaison de la consommation d’énergie par passager et par kilomètre en trafic urbain, entre le tram, le bus et la voiture. D’après cette étude, il faudrait pour la voiture à peu près 3MJ ou 90 mL d’essence, pour le tram 0,23 MJ seulement soit plus que 10 fois moins ! La valeur pour le bus se situerait un peu au-dessus de celle du tram avec 0,29 MJ.
Dans le même dossier, on précise que « l’une des raisons pour lesquelles le tram est économique est que sa capacité d’accueil ne nécessite qu’un minimum d’espace : en l’espace d’une heure, sur un trajet urbain compris entre trois et cinq mètres, environ 2000 personnes pourront passer en voiture ; en bus ce nombre ‘élève à 9000 – et le tram permet à 22000 personnes de traverser le même espace. »
Comment le tram est-il chauffé en hiver et refroidi en été ?
Le chauffage et la climatisation des rames se font par des pompes à chaleur air-air montées sur le toit des véhicules. Comment fonctionnent ces pompes à chaleur ?
En hiver, la pompe à chaleur prélève de la chaleur à l’extérieur et la restitue à l’intérieur du tram afin de chauffer celui-ci.
En été, c’est l’inverse. Elle évacue de la chaleur de l’intérieur du tram vers l’extérieur.
La particularité de la pompe à chaleur est de faire passer la chaleur d’un milieu plus froid vers un milieu plus chaud. L’inverse est évident et se fait spontanément lorsque les deux milieux sont en communication.
Vous voulez connaître le secret de la pompe à chaleur ? Alors consultez notre article :
Êtes-vous devenus un accro du tram ?
Se passionner pour le tram, c’est découvrir une panoplie de systèmes techniques extrêmement variés. Leur fonctionnement fait appel à un grand nombre de phénomènes mécaniques, électriques, électroniques, électromagnétiques et thermodynamiques.
Bien que le tram ne soit qu’un moyen de transport de faible vitesse, il permet de faire de beaux voyages à travers la physique ! Découvrez plus dans nos deux autres parties sur la science derrière le tram :
Auteur : André Mousset
Mes remerciements vont aux collaborateurs de Luxtram, MM. Bélony et Chartz et surtout à M. Ehrmann, pour les précieuses informations et explications techniques !
Infobox
La charge électrique est « une propriété » (on n’en connaît pas encore la nature intime !) de certaines particules qui interagissent entre elles. Jusqu’à ce jour on a détecté deux sortes de charges : l’une est appelée « charge positive », l’autre « charge négative ». Les particules à même type de charge se repoussent tandis que les particules à types de charge différents s’attirent.
Les électrons ont tous une même charge négative. Ils se repoussent entre eux. Les protons sont tous une même charge positive et se repoussent également mutuellement. Par contre les électrons et les protons s’attirent. Les neutrons ne possèdent pas de charges donc n’interagissent pas de cette façon avec les électrons ou les protons.
La charge d’une particule est mesurable. Il se trouve que l’électron et le proton ont la même charge au signe près. C’est d’ailleurs la plus petite charge qu’on a pu détecter jusqu’à ce jour dans l’univers. Pour cette raison on l’appelle « charge élémentaire ». Elle est notée « e » : e = 1,6 10-19 C.
1 C = 1 coulomb : c’est l’unité de mesure avec laquelle on exprime la charge.
La tension électrique par rapport à la terre est l’énergie électrique que possède une charge de 1 C par rapport à la terre. Elle est mesurable et exprimée en volt.
En effet, une même particule chargée peut avoir beaucoup ou peu d’énergie, ou bien même n’avoir pas d’énergie du tout.
La tension électrique est encore appelée « différence de potentiel électrique ». On peut dire : la ligne aérienne de contact a un potentiel de 750 V et les rails reliés à la terre ont le potentiel 0 V. La tension entre la ligne et les rails (= la différence de potentiel entre la ligne et les rails) vaut alors 750 V.
La terre est par définition toujours au potentiel 0 V.
Un déplacement collectif de particules chargées est appelé « courant électrique ». Or ce sont justement les particules chargées qui possèdent l’énergie électrique. Un courant électrique correspond donc à un transport d’énergie électrique d’un endroit à un autre.
Dans les métaux, les particules chargées susceptibles de créer un courant électrique sont les électrons. En effet chaque atome dispose de un, deux, …, électrons libres, c’est-à-dire, non liés à l’atome. Ces électrons peuvent donc se déplacer à travers l’ensemble du corps métallique et former éventuellement un courant électrique. Pour cette raison les métaux font partie des substances qui conduisent le courant électrique : les « conducteurs électriques ». La vitesse de déplacement des électrons est environ 1 mm/s.
D’autres substances solides ne permettent pas la mise en mouvement collectif des électrons car tous les électrons sont liés aux atomes ou aux molécules. Ces matériaux sont appelés « isolants électriques ».
Dans les liquides, les particules chargées mobiles sont des ions, c’est-à-dire, des atomes, des molécules ou des fragments de molécules ayant un, deux, …, électrons en excès (ions négatifs) ou en défaut (ions positifs). La vitesse de déplacement des ions y est environ 0,01 mm/s.
Dans les gaz, les particules chargées sont à la fois des ions et des électrons. La vitesse de déplacement varie beaucoup et peut être très grande.
Le courant électrique n’est détectable que pas ses effets : échauffement, réactions chimiques dans les liquides, apparition d’un champ magnétique, émission de rayonnements lumineux.
Le courant électrique circule dans un circuit électrique fermé, c’est-à-dire, en partant d’un point, à travers un ensemble de conducteurs électriques, et revenant au point de départ. Pour qu’un courant prenne naissance il faut que deux points du circuit aient des potentiels électriques différents. C’est-à-dire qu’il existe une tension électrique entre deux points du circuit. Le rôle de créer cette tension revient au générateur électrique placé dans le circuit : pile, accumulateur, génératrice, cellule photovoltaïque, …
L’intensité de courant électrique est la quantité de charge qui traverse une section du conducteur par seconde. Elle correspond au débit de l’eau s’écoulant dans une rivière.
Elle est mesurable et exprimée en ampère. Un fil est traversé par un courant de d’intensité 1 A si une charge de 1 C traverse la section du fil en 1 seconde.
Plus l’intensité est élevée, plus l’énergie transportée par le courant est élevée, et plus les effets du courants sont donc importants : échauffement plus important, davantage de réactions chimiques par unité de temps, champ magnétique plus fort, effet lumineux plus important.
Les générateurs de tension continue ont un pôle positif fixe et un pôle négatif fixe. Exemple : pile ou accumulateur. Par définition le courant électrique sort du pôle positif et circule vers le pôle négatif par lequel il entre. Or, si le courant est dû à des électrons (de charge négative), les électrons sortent du générateur par le pôle négatif et rentrent par le pôle positif. Un tel courant est continu car il circule toujours dans le même sens.
Les générateurs de tension alternative changent constamment de polarité. Cela veut dire que le courant circule tantôt dans un sens, tantôt dans l’autre sens. Le courant est alternatif.
Un champ magnétique est une région de l’espace dans laquelle des actions magnétiques peuvent être mises en évidence. Ces actions magnétiques sont des forces s’exerçant sur des aimants, des courants électriques ou bien des particules électriquement chargées en mouvement. (En fait, des particules chargées en mouvement sont équivalents à un courant électrique.)
Or, de telles forces sont exercées par les aimants et les courants placés à proximité. Les régions de l’espace entourant les aimants et les courants électriques sont donc des champs magnétiques.
Autour de notre planète Terre règne également un champ magnétique. Il est dû au mouvement des matières fluides à l’intérieur de la Terre, contenant des particules chargées.
Un champ magnétique peut être plus ou moins intense selon l’effet qu’il produit. Son intensité est exprimée en teslas (T). Le champ créé par un aimant ordinaire se situe à environ 10-3 T. Le champ terrestre vaut en moyenne 5∙10-5 T à proximité de la Terre. Un champ de même intensité règne à 4 mm d’un fil parcouru par un courant de 1 A. Pour obtenir un champ plus fort, il faut disposer un grand nombre de fils parcourus chacun par un fort courant.
Les électroaimants créent ainsi un champ magnétique plus ou moins puissant grâce à des bobines à un grand nombre de spires. Ces bobines comportent en plus un noyau de fer (fermé) qu’s’aimante dans le champ de la bobine renforçant celui-ci.
