Voici comment les ingénieurs ont construit la "locomotive de butte" dans les
années '30 lors des grandes électrifications en courant continu du Sud-Ouest
de la France.

Ceux qui désireraient le document in extenso ainsi que les schémas
électriques sont invités à me contacter par e-mail :
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LOCOMOTIVES ÉLÉCTRIQUES DE BUTTE


d'après M. PETITMENGIN, Ingénieur Principal à la Région Sud-Ouest de la SNCF,
in RGCF, 1938

[texte original arrangé et épuré de détails non électrotechniques pour une
meilleure lisibilité, NDLR]
 

Lors de la manoeuvre de débranchement, il est nécessaire de pouvoir refouler les trains très lourds à des vitesses variant de 2 à 5 km/h et même en utilisant les rapports d'engrenages minima compatibles avec la construction des machines, la vitesse de fonctionnement au couplage série de moteurs est en général encore trop élevée. On est ainsi conduit à utiliser en service prolongé, les crans de démarrage sur résistances, pour obtenir les vitesses désirées. Ceci a comme conséquence une perte d'énergie dans ces résistances, qui peut atteindre 50% à 65% de l'énergie totale consommée. De plus, les températures élevées auxquelles sont portées ces résistances, d'ailleurs non prévues pour ce service, entraînent la détérioration plus ou moins rapide des parties du câblage placées dans leur voisinage, ainsi que celle de la peinture des caisses.

La diversité des profils des buttes complique encore la question, en ce sens qu'un rapport d'engrenages convient approximativement pour une butte déterminée, c'est-à-dire permet d'y utiliser une machine dans les meilleures conditions de rendement et de conservation, mais ne convient pas pour une
autre butte.

Après examen des tracés et des profils des buttes de triage des sections en cours d'électrification ou susceptibles d'être électrifiées, il a été établi
que les efforts maxima soutenus que devraient pouvoir développer à la jante de leurs roues motrices les locomotives en question n'excéderaient dans
aucun cas 20 t, tout en se réservant d'ailleurs une marge importante dans le tonnage des trains triés par rapport aux tonnages maxima de 1.400 t
couramment pratiqués.

En tablant sur un coefficient d'adhérence moyen de 18 à 20 %, le poids adhérent de ces machines doit donc être de l'ordre de 100 tonnes. Eu égard
d'autre part à ce que les voies de triage sont normalement équipées avec des rails moins lourds que ceux des voies principales et sont généralement
entretenues d'une façon moins rigoureuse, on a estimé prudent de ne pas dépasser la charge de 18 t par essieu pour ces locomotives, ce qui a fixé le
choix sur des machines à 6 essieux moteurs. Ces locomotives pouvant par ailleurs facilement être réalisées à adhérence totale, c'est le type CC à 2
bogies à 3 essieux qu'il a semblé finalement indiqué de retenir.

Il est à remarquer que ces machines, dont la vitesse en charge doit pouvoir varier de 2 km/h (refoulement) à 12 km/h (montée en butte) suivant les
conditions actuelles d'exploitation, n'ont à développer que des puissances très réduites. Des essais entrepris sur les machines BB affectées au service
des buttes et des calculs effectués, il ressort en effet que dans aucun cas cette puissance n'excède 350 kW. Aussi, eu égard à cette faible puissance,
et dans le but d'arriver à des prix de machines aussi réduits que possible, a-t-on prévu l'équipement des bogies avec deux moteurs seulement. Cette
solution conduit à une disposition mécanique plus rationnelle des bogies, mais impose l'accouplement par bielles des essieux d'un même bogie, ce qui
n'est nullement un inconvénient, car cet accouplement permet de réaliser la meilleure utilisation de l'adhérence.

A noter enfin que les machines de butte devant marcher à vitesse sensiblement constante, tout en développant des efforts variant
progressivement de la pleine charge à la marche à vide (refoulement), il est indispensable de pouvoir régler le courant absorbé par les moteurs dans de
grandes limites. Le réglage par résistances qui conduirait à des pertes d'énergie très importantes, comme c'était le cas avec les machines BB, étant
à proscrire, on a imposé l'emploi d'un groupe convertisseur [métadyne ou groupe moteur-générateur, dit Ward-Léonard, NDLR] pour l'alimentation des
moteurs, afin de pouvoir obtenir les conditions de réglage désirées en agissant uniquement sur les enroulements inducteurs de ce groupe, qui ne
mettent en jeu que des courants de faible intensité.

Les conditions particulières finalement imposées aux constructeurs consultés pour la fourniture de ces machines, et qui résultent des considérations
précédentes, sont rappelées ci-après :

_ Locomotives à adhérence totale comportant une caisse unique avec cabine de manoeuvre centrale, reposant sur 2 bogies à 3 essieux accouplés par bielles.

_ Poids total en ordre de marche : 90 t, susceptible d'être porté a 108 t par addition de lest.

_ Moteurs à suspension par le nez, à self ventilation de préférence.

_ 2 moteurs par bogie, d'une puissance unitaire continue de 75 kW environ à 12 km/h, susceptibles de développer un effort maximum au démarrage de 20 t à
la jante des roues motrices et capables de faire patiner ces roues, la machine étant lestée à 108 t et le coefficient d'adhérence étant supposé
égal à 30 %.

_ Vitesse de la machine à vide : 25 km/h.
Toutes vitesses intermédiaires entre 0 et 25 km/h étant susceptibles d'être obtenues, sans utilisation de résistances de démarrage.

_ Vitesse maximum de la machine remorquée : 50 km/h.

Parmi les offres reçues, qui différaient surtout par la consistance de l'équipement électrique, c'est celle du groupement : Compagnie Générale de
Construction de Locomotives, Société Oerlikon qui fut retenue, parce qu'elle était d'un prix moins élevé et comportait le groupe de rendement optimum.
 
 

CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES

_ Longueur entre tampons : 17 m 190
_ Empattement rigide : 4 m 100
_ Empattement total : 12 m 300
_ Diamètre des roues : 1 m 400
_ Altitude de la toiture au-dessus du plan de roulement : 3 m 770
_ Poids total de la partie mécanique y compris les engrenages et
l'équipement de frein Westinghouse (sans le compresseur) : 68.800 kg
_ Poids total de la partie électrique : 20.600 kg
_ Poids total de la locomotive en ordre de marche y compris les agrès,
l'outillage et le sable [lest déduit, NDLR] : 90.400 kg
 
 

PARTIE MÉCANIQUE


Bogies

Les bogies sont montés chacun sur 3 essieux et sont reliés par un attelage axial rigide du type américain, comportant l'emploi de biellettes de
traction et, pour le tamponnement, de deux rotules avec réglage longitudinal par coin.

Leurs 3 essieux sont accouplés entre eux bilatéralement par bielles et manivelles. Les essieux extrêmes sont seuls moteurs ; l'essieu médian, est
muni de roues à boudins amincis, afin de faciliter l'inscription dans les courbes de faible rayon.

Chacun des essieux-moteurs est actionné par l'intermédiaire de deux trains d'engrenages rigides comportant chacun une roue dentée à jante « monobloc »
rapportée, assemblée par éclisses sur un centre en acier moulé faisant partie intégrante du centre de roue motrice. Les engrenages sont enfermés
dans des carters en tôle d'acier de 4 mm, absolument étanches.

Freins

L'équipement de frein est un équipement Westinghouse agissant sur toutes les roues. Cet équipement est combiné avec un frein à main (à double commande, agissant également sur toutes les roues.

Le freinage est assuré à raison de deux sabots par roue et le réglage de la tension est réalisé automatiquement par des régulateurs de timonerie type
SAB
 
 

ÉQUIPEMENT ÉLECTRIQUE

Avant de donner la consistance et la description sommaire de l'équipement électrique de ces machines, nous indiquerons brièvement le principe du
dispositif de réglage de la vitesse et de l'effort de traction adopté sur celles-ci et qui en constitue la particularité essentielle.

Ainsi qu'il a déjà été dit précédemment, ces réglages sont obtenus dans les conditions désirées, c'est-à-dire avec les pertes d'énergie minima, en
renonçant à l'alimentation directe des moteurs de traction par la caténaire, comme c'est le cas sur toutes les locomotives à courant continu de type
normal, et en réalisant celle-ci par l'intermédiaire d'un groupe moteur-générateur dont les champs inducteurs sont réglables dans des limites
étendues.

Ce groupe convertisseur comprend, montés sur le même arbre :

_ un moteur compound d'entraînement A dont le courant d'alimentation est pris directement à la caténaire ;

_ une génératrice principale anti-compound B, alimentant les induits des 4 moteurs de traction constamment connectés en série ;
La tension de cette génératrice peut être réglée en agissant sur le rhéostat d'excitation R1 ;

_ une excitatrice auxiliaire EB alimentant les inducteurs des 4 moteurs de traction constamment connectés en série ;
La tension de cette génératrice peut être réglée en agissant sur le rhéostat d'excitation R2.

_ une excitatrice auxiliaire EA alimentant les inducteurs du moteur d'entraînement A et des génératrices B et EB ci-dessus.

Les curseurs des rhéostats R1 & R2 sont actionnés simultanément, par les volants des manipulateurs et à toute position assignée aux curseurs par ces
volants, correspond d'une part, une valeur déterminée de la tension fournie par la génératrice principale B et appliquée aux induits des moteurs de
traction ; d'autre part, une valeur de l'intensité du courant débité par la génératrice auxiliaire EA dans les inducteurs de ces mêmes moteurs et, .par
suite, une vitesse de régime déterminée de la locomotive. Tandis que la vitesse se maintient ainsi sensiblement constante, le courant absorbé par
les moteurs de traction et conséquemment par le moteur d'entraînement A du groupe convertisseur, varie suivant le profil de la voie sur laquelle
circule le convoi, ou suivant le tonnage de celui-ci (cas du débranchement).

Si le convoi s'engage sur une descente, le courant absorbé à la caténaire diminue et peut même s'inverser. La locomotive fonctionne alors
automatiquement en récupération ; la génératrice principale B devient réceptrice, alimentée par les moteurs de traction et le moteur
d'entraînement A, génératrice, débitant sur la caténaire.

A noter que le fonctionnement en récupération peut être obtenu volontairement pour réaliser un freinage ou l'arrêt de la locomotive. Il
suffit de déplacer le volant dans le sens rétrograde correspondant à une diminution de vitesse. Le branchement des rhéostats R1 R2 est tel que, par
suite de ce déplacement, l'excitation de la génératrice B diminue alors que l'excitation des moteurs de traction augmente ; il en résulte une diminution
de la vitesse de rotation de ces moteurs et, par suite, de la locomotive.

En réalité, les curseurs des rhéostats R1 & R2 ne sont pas actionnés directement par les volants des manipulateurs, mais par un servo-moteur,
ainsi qu'il sera expliqué dans la description de l'équipement qui va suivre.

Les appareils constituants l'équipement électrique sont répartis en plusieurs circuit distincts dont nous indiquerons sommairement la
consistance :

a) Un circuit principal à 1.500 V.

Ce circuit, comporte :

_ Un pantographe du type utilisé normalement sur toutes les machines de construction récente.

_ Un coupe-circuit principal à soufflage magnétique avec fusible de 415 A, destiné à protéger le câble d'amenée de courant à la locomotive entre le
pantographe et le disjoncteur.

_ Un disjoncteur principal ultra-rapide à commande électro-magnétique, réglé pour un courant de déclenchement de 800 A.

_ Un contacteur électro-pneumatique (81) 1.500 V, 450 A d'un type couramment utilisé sur les locomotives GV de la région. Ce contacteur est destiné à
court-circuiter la résistance intercalée dans le circuit du moteur du groupe convertisseur après fermeture du disjoncteur principal et, par suite, à
assurer le démarrage en deux temps de ce moteur.

_ Le moteur du groupe convertisseur. Ce moteur est à excitation compound.
Son enroulement fil fin est alimenté par l'excitatrice EA, dont il a été question précédemment. Il a une puissance continue de 400 kW et une
puissance unihoraire de 525 kW sous 1.350 V.

b) Circuit des moteurs de traction.

Ce circuit, comporte :

_ La génératrice B du groupe convertisseur. Cette machine, dont l'excitation est fournie par l'excitatrice EA , est susceptible de débiter 300 A en
régime continu et 385 A en régime unihoraire, sous une tension variable de 0 à 1.500 V.

 _ Les quatre moteurs de traction dont les induits sont constamment couplés en série entre eux et avec l'induit de la génératrice B.

L'excitation de ces moteurs est fournie par l'excitatrice EB mentionnée précédemment. Leurs régimes unihoraire et continu sont respectivement de 385
et 300 A.

Ces moteurs à suspension par le nez, à double train d'engrenages, au rapport de réduction 14/100, sont du type à ventilation forcée. L'air nécessaire à
la ventilation de chaque moteur est fourni par un groupe moteur-ventilateur débitant 40 m³/min sous Ia pression totale de 45 mm d'eau et alimenté
directement par l'excitatrice EA à Ia tension de 80/100 V.

_ Un contacteur électro-pneumatique (83), du même type que celui mentionné plus haut, destiné à assurer l'ouverture ou la fermeture du circuit.

_ Deux inverseurs d'isolement des moteurs permettant d'isoler les deux moteurs d'un même bogie en cas d'avarie à l'un d'eux et d'assurer le fonctionnement de la locomotive avec les deux moteurs restants.

Les quatre machines dont il vient d'être question plus haut, moteur A, génératrice B, excitatrices EA et EB, qui constituent le groupe convertisseur, sont réunies en une seule unité.

Les quatre induits sont montés sur le même arbre, supporté par deux paliers à rouleaux, qui encadrent les induits du moteur et de la génératrice, les
induits des deux excitatrices étant montés en porte-à-faux à chacune des extrémités de l'arbre.

Un des bouts d'arbre est, par ailleurs, prolongé par une pièce rapportée sur laquelle est monté un interrupteur centrifuge, qui fait déclencher le
disjoncteur lorsque la vitesse du groupe dépasse une valeur déterminée (2.000 tours/min).

Toutes les machines du groupe sont autoventilées, ce qui a permis d'en réduire le poids total, qui atteint seulement 5.800 kg.

L'ensemble des deux circuits précédents comporte encore les différents relais mentionnés ci-après :

_ un relais de tension et un relais de surtension agissant respectivement lorsque la tension devient insuffisante ou excessive ;

_ deux relais de surcharge ;
 Le fonctionnement de l'un quelconque de ces relais entraîne le déclenchement du disjoncteur et des trois contacteurs que comportent les
circuits en question.

_ un relais balance, dont le rôle sera indiqué plus loin.

c) Circuits auxiliaires à 1.500 V.

Ces circuits comprennent :

1° Le circuit d'alimentation des relais et des appareils de mesure, branché immédiatement après le disjoncteur principal et protégé par un fusible 1.500
V, 3 A.

2° Le circuit du compresseur et du chauffage de la cabine, commandé par un contacteur 1.500 V, 10 A à commande électromagnétique.

Le groupe compresseur est d'un modèle déjà utilisé sur d'autres séries de locomotives de la Région du Sud-Ouest. Il comprend un moteur série à 1.500 V
d'une puissance de 16 ch en régime unihoraire attaquant par engrenages un compresseur à deux cylindres en V d'un débit de 1.300 L/min à la pression de
7, 5 hpz [7,5 bar, NDLR].

d) Circuits à basse tension.

Tous les circuits de commande et de contrôle de la locomotive, ainsi que le circuit d'éclairage sont alimentés à 72 V par une batterie d'accumulateurs
au cadmium-nickel comportant 48 éléments de 72 Ah.

La charge de cette batterie est assurée normalement par l'excitatrice EA, dont le branchement est réalisé automatiquement par l'intermédiaire d'un
conjoncteur-disjoncteur. Un commutateur permet d'ailleurs de graduer le courant de charge par l'introduction ou le retrait d'une résistance dans le
circuit de charge. Un inverseur tripolaire permet enfin de brancher la batterie en série avec le compresseur, afin d'assurer éventuellement sa
recharge sans le secours d'une source extérieure, dans le cas par exemple où sa tension serait insuffisante pour permettre l'enclenchement du disjoncteur
principal.

Les circuits à basse tension sont commandés par un interrupteur général bipolaire avec fusibles placé sur le tableau de batterie dans la cabine de
la locomotive.

Ils comprennent essentiellement :

1° Des circuits susceptibles d'être mis sous tension au moyen de boutons-poussoirs groupés dans une boîte à 9 boutons-poussoirs montée dans
la cabine et qui permettent d'alimenter les manipulateurs et de commander les contacteurs intercalés dans les circuits auxiliaires.

2° Les circuits qui sont commandés au moyen des interrupteurs groupés sur chacun des pupitres de commande de la locomotive et qui assurent notamment
l'alimentation des lampes de cabine, d'appareils et de fanaux.

Les manipulateurs de la locomotive qui font partie du premier groupe de circuits précédents constituent un des dispositifs caractéristiques de celle-ci.

Ce manipulateur comprend essentiellement deux arbres concentriques mécaniquement indépendants :

a) un arbre central solidaire du volant de commande, portant un certain nombre de secteurs;

b) un arbre creux, commandé par un servomoteur et portant des curseurs se déplaçant sur les plots des rhéostats d'excitation de l'excitatrice des moteurs de traction (R2) et du rhéostat d'excitation de la génératriceprincipale (R1).

Cet arbre tourne d'un angle égal à celui dont a tourné le volant, mais à une vitesse indépendante de la vitesse avec laquelle a été man?uvré celui-ci et
suffisamment lente pour éviter toute réaction dangereuse dans le train par suite de trop brusques variations de l'effort de traction.

Le servo-moteur est, de plus, soumis à l'action d'un relais « balance » comportant deux enroulements traversés : l'un par le courant circulant dans
les induits des moteurs de traction, l'autre par le courant circulant dans les inducteurs et qui, indépendamment de la position du volant, provoque le
fonctionnement du servo-moteur. Ce dernier modifie automatiquement la position des curseurs, de manière que dans le cas de remorque d'un train
lourd, l'intensité absorbée sur une forte rampe ou débitée sur une forte déclivité par les moteurs de traction ne prenne une valeur excessive par
rapport à celle du courant inducteur et que la commutation des moteurs ne puisse ainsi devenir défectueuse.

Toutefois, dans le cas où il est nécessaire de faire développer à la locomotive un effort de traction ou de retenue exceptionnel, il suffit
d'appuyer en permanence sur un bouton à ressort monté sur le pupitre et prévu à cet effet. L'excitation des moteurs de traction est alors renforcée
et ceux-ci peuvent absorber un courant d'intensité plus élevée sans provoquer l'intervention du relais balance.

Le pupitre de commande AR comporte un faux manipulateur relié à l'arbre central du manipulateur précédent par une commande mécanique. Grâce à cette
disposition, le conducteur peut passer d'un poste de commande à l'autre suivant les besoins du service et poursuivre la conduite de son train sans aucune interruption.
 
 

CONDUITE DE LA LOCOMOTIVE

Le pantographe étant levé et les réservoirs d'air remplis à là pression voulue, les circuits de batterie et de contrôle étant d'autre part fermés,
pour démarrer le groupe convertisseur, il suffit d'enfoncer les boutons-poussoirs « Contrôle » et « Groupe convertisseur, marche ».

Lorsqu'au bout de 10 secondes environ le groupe a atteint sa vitesse normale, et que les champs Inducteurs sont établis dans les différentes
machines, la locomotive est en ordre de marche. Pour la faire avancer, il suffit de tourner le volant d'un des manipulateurs de la cabine dans le sens
voulu. A chaque position du volant correspond une vitesse de marche sensiblement indépendante de la charge remorquée et du profil de la voie.

Pour démarrer en sens opposé, il suffit de tourner le volant dans l'autre sens.

La locomotive étant en marche, si l'on ramène le volant en arrière, on provoque le freinage par récupération du convoi, jusqu'à ce que la vitesse
ait atteint celle correspondant à Ia nouvelle position du volant.

Si on déplace le volant jusqu'au delà du 0 sur une position correspondant au sens de marche opposé, la locomotive freine jusqu'à l'arrêt, puis repart en
sens inverse.
 On voit donc que, dans son ensemble, la conduite de la locomotive est d'une grande simplicité, jointe à une souplesse remarquable, tout à fait analogue
à celle des locomotives à métadyne, mais ce résultat est obtenu avec un équipement comportant un appareillage excessivement réduit, puisqu'il ne
comporte en plus du disjoncteur principal que trois contacteurs et quelques relais.
 
 

PREMIERS RÉSULTATS OBTENUS


Les deux locomotives commandées ont été livrées respectivement en janvier et février 1938 et la première de ces machines a été soumise avant sa mise en
service à des essais en charge à la butte Nord de Juvisy et à la butte Sud de Vierzon, dont les profils sont ceux indiqués ci-contre [de l'ordre de 35
pour mille pour la monté en butte et 30 pour le refoulement, NDLR].

Au cours de ces essais, on a pu effectuer sans interruption le débranchement de trains de 1.900 à 2.000 t ; la vitesse moyenne de montée en butte étant
maintenue à 12 km/h et celle de refoulement à 1,5 - 2 - 3 km/h à volonté, en jouant uniquement sur le contrôleur sans le ramener à 0.

Dans tous les cas, les diagrammes des intensités absorbées ou débitées sont restés à l'intérieur des diagrammes théoriques correspondants qui avaient
servi à la détermination de la puissance du groupe. D'autre part les températures des enroulements ont toujours été trouvées très inférieures aux
limites admissibles. On peut par suite en conclure que la puissance du groupe est largement suffisante pour le service prévu.