Composants de l`électrotechnique en traction ferroviaire

Composants de l’électrotechnique
en traction ferroviaire
par
Pierre CHAPAS
Senior expert (honoraire)
Alstom Transport
et
Marc DEBRUYNE
Master expert
Alstom Transport
1.
1.1
1.2
Architecture électrotechnique du matériel roulant .......................
Inventaire des fonctions..............................................................................
Chaîne de traction et auxiliaires .................................................................
D 5 530 — 3
—
3
—
3
2.
Production d’énergie ..............................................................................
—
3
3.
3.1
3.2
3.3
3.4
Captage et protections...........................................................................
Pantographe.................................................................................................
Ligne de toiture............................................................................................
Frotteur .........................................................................................................
Protections ...................................................................................................
—
—
—
—
—
3
3
5
5
5
4.
4.1
4.2
4.3
Adaptation de la tension alternative : transformateur .................
Transformateur et selfs ...............................................................................
Refroidissement...........................................................................................
Transformateur à moyenne fréquence ......................................................
—
—
—
—
7
7
7
7
5.
5.1
5.2
5.3
5.4
Conversion électrique.............................................................................
Différents types de convertisseurs et leurs applications..........................
Évolution et structure des convertisseurs .................................................
Refroidissement...........................................................................................
Appareillage électromécanique..................................................................
—
—
—
—
—
7
7
8
9
10
6.
Rhéostat de freinage...............................................................................
—
11
7.
7.1
7.2
Moteur de traction...................................................................................
Installation....................................................................................................
Refroidissement...........................................................................................
—
—
—
11
11
11
8.
8.1
8.2
Auxiliaires ..................................................................................................
Traction autonome ......................................................................................
Traction électrique .......................................................................................
—
—
—
12
12
12
9.
Installation des composants.................................................................
—
13
10. Conclusion .................................................................................................
—
14
Références bibliographiques .........................................................................
—
15
epuis son apparition en 1879 avec la première locomotive de Siemens,
l’électrotechnique s’est développée pour la traction ferroviaire au même
rythme que pour les autres secteurs industriels. Elle est ainsi l’un des arguments
majeurs du chemin de fer en termes de performances, de productivité et donc de
rentabilité économique. L’aspect environnemental est aussi l’une des motiva-
D
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
D 5 530 − 1
COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE ____________________________________________________________________________
tions essentielles, quoique ancienne puisqu’à l’âge d’or de la traction à vapeur,
on parlait déjà du grave problème de la pollution que seule l’électricité pouvait
éliminer. Le transport ferroviaire est à ce titre aujourd’hui, et de très loin, le
champion du développement durable et du respect de l’environnement.
L’électrotechnique et l’électronique de puissance intéressent tous les
domaines ferroviaires, les installations fixes : alimentation en énergie, signalisation [D 5 501] [D 5 510], énergie utilisée par le matériel roulant (engins de traction et matériel remorqué), ainsi que l’ensemble des catégories de transports
ferroviaires : grande ligne, grande vitesse, matériels interurbains et urbains
(métros et tramways) [C 4 440].
Il est intéressant d’en étudier les différents aspects sous l’angle des composants utilisés et de leurs principes d’installation. Notre exposé adopte une
démarche fonctionnelle, laissant ainsi le champ à l’évolution très rapide des
composants de détail mis en œuvre. Partant de l’alimentation, nous analysons
les composants de la chaîne de traction et ses auxiliaires. Pour plus de détails, on
se reportera aux références bibliographiques [1] à [23].
Pour faciliter la compréhension, un panorama succinct de l’historique des
composants électrotechniques montre l’évolution « non linéaire » de ceux-ci. La
figure A donne les principales phases. Durant plus d’un siècle, l’électromécanique associée au moteur à courant continu à collecteur a régné sans partage
sur la traction, atteignant même des sommets avec des locomotives de plus de
6 000 kW, construites en Suisse et en France. C’est seulement dans le dernier
quart du siècle dernier que l’électronique de puissance a « pris le pouvoir » et le
moteur asynchrone associé maintenant aux transistors IGBT s’étend de sorte
qu’il est devenu la norme de construction de tous les matériels.
IGBT
Composants
Thyristor
rapide
GTO
Diode
Diodedesilicium
silicium
Red.
Hg
Rhéostat/couplages moteurs/graduateur
Moteur
de traction
Synchrone
Asynchrone
Série à collecteur universel
Série à collecteur dc
Alimentation
en énergie
25 kV/50 Hz
15 kV/16 Hz 2/3
12 kV/25 Hz (États-Unis)
1 500 V/3 000 V dc
600 V/750 V dc
1880
1900
1920
1950
1970 1980
2000
Red. Hg redresseur à vapeur de mercure
Figure A – Évolution de l’électrotechnique ferroviaire
D 5 530 − 2
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
____________________________________________________________________________ COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE
1. Architecture
électrotechnique
du matériel roulant
Captage
aérien
Groupe électrogène
Protection
Transformation
ou
1.1 Inventaire des fonctions
Auxiliaires
Conversion
adaptation
1.2 Chaîne de traction et auxiliaires
L’électrotechnique et l’électronique de puissance ont leur place
dans les fonctions de traction/freinage dynamique et les auxiliaires
associés. Aussi l’architecture du matériel roulant est-elle construite
sur ces deux entités que l’on appelle « chaîne de traction » et
« auxiliaires ».
La chaîne de traction comprend l’ensemble des fonctions :
— production (§ 2) ou captage de l’énergie et protections (§ 3) ;
— transformation ou adaptation de l’énergie (§ 4) ;
— conversion et traitement de l’énergie (§ 5) ;
— génération de couple (§ 6 et 7).
Production
Traitement de l'énergie
pour le frein
Caisse/installation
Figure 2 – Schémas généraux de la chaîne de traction
et des auxiliaires
Les services auxiliaires (§ 8), nécessaires à l’ensemble des autres
fonctions, sont, en terme d’énergie, directement associés à la fourniture d’énergie principale. Pour les deux catégories de traction –
autonome et électrique –, la chaîne de traction et les auxiliaires peuvent être schématisés comme l’indique la figure 2.
Notons qu’une telle représentation est valable pour tous les types
de matériels moteurs ferroviaires : locomotive, automotrice, métro,
tramway. Seuls diffèrent les niveaux de puissance mis en jeu et l’installation des équipements, tributaire des contraintes de masse, de
gabarit ou d’emplacements disponibles dans le cas du transport de
passagers (automotrices, métros, tramways).
2. Production d’énergie
Motrice
L’alternateur principal délivre une tension triphasée à fréquence et
tension variables, redressée par un pont à diodes triphasé.
Essieux du bogie moteur
Remorque/voiture
Confort
b traction autonome à
transmission électrique
Essieux du bogie porteur
Production
Distribution
Roulement
a traction électrique
En traction autonome, la production d’énergie est assurée par un
moteur thermique [D 5 510]. Le plus fréquemment utilisé est le
moteur Diesel suralimenté par turbocompresseur ; quelques cas
d’emploi de turbomoteurs sont à signaler. La transmission électrique est réalisée à partir d’un alternateur triphasé, attelé au vilebrequin du moteur Diesel. L’alimentation des auxiliaires est réalisée :
— soit grâce à un enroulement dédié, bobiné sur le stator de
l’alternateur ;
— soit par un alternateur auxiliaire flasqué sur l’alternateur
principal.
Freinage mécanique
Auxiliaires
Captage
au sol
(métros)
Traction
Freinage dynamique
Freinage
Conversion
adaptation
Moteur
Transmission
L’étude du dimensionnement du matériel roulant [D 5 520] a
permis de faire l’inventaire des fonctions qu’il doit satisfaire
(figure 1).
Traction/freinage
Auxiliaires
Confort de la motrice
Les schémas de puissance actuels font appel le plus généralement aux moteurs asynchrones alimentés par des onduleurs à IGBT.
Ceux-ci sont en tous points identiques avec ceux utilisés par la traction électrique [D 5 510].
(0)
Confort des passagers
Exploitation/conduite
Interface homme-machine
3. Captage et protections
Maintenance
Contrôle-commande
Figure 1 – Inventaire des fonctions du matériel roulant
3.1 Pantographe
Les engins moteurs parcourant les voies alimentées par ligne
aérienne « caténaire » sont équipés d’un appareil de prise de
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
D 5 530 − 3
COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE ____________________________________________________________________________
Tableau 1 – Intensité absorbée aux pantographes pour différents systèmes d’électrification
et différentes catégories de matériels moteurs
750 V continu
1,5 kV continu
3 kV continu
15 kV/16,7 Hz
25 kV/50 Hz
Locomotive
6 MW traction + 1 MW auxiliaires
4 660 A
2 330 A
460 A
280 A
Motrice TGV
4,4 MW traction + 1 MW auxiliaires
3 300 A
1 660 A
330 A
200 A
Automotrice
2 MW + 0,2 MW auxiliaires
1 460 A
735 A
145 A
88 A
Tramway
800 A
courant appelé « pantographe », appellation ancienne venant de la
similitude avec l’appareil reproducteur de dessin de jadis, dont la
forme était un losange. Les premiers pantographes avaient effectivement la forme d’un losange déformable.
Les fonctions dévolues au pantographe sont d’ordre électrique et
mécanique.
Fils de contact
Archets
3.1.1 Fonctions électriques
Le courant total absorbé par l’engin de traction doit être capté
avec la résistance de contact minimale pour limiter les pertes donc
l’échauffement, notamment à l’arrêt et au démarrage. Le dimensionnement résulte du bilan de puissance comprenant :
— l’intensité maximale en traction ;
— la puissance des auxiliaires ;
— les pertes.
C’est l’« archet », comportant une ou deux « palettes » sur lesquelles sont fixées des « barres de frottement » en contact avec la
caténaire, qui assure cette fonction. Des cornes isolantes de part et
d’autre de l’archet l’isolent par rapport aux pièces environnantes
sous tension. Le choix du matériau des barres de frottement dépend
de la tension d’alimentation et du courant absorbé : cuivre + acier,
ou carbone. Le tableau 1 donne quelques exemples d’intensité
absorbée.
Le courant est conduit par le cadre du pantographe et des shunts
appropriés pour éviter son cheminement à travers les roulements à
billes des articulations du cadre du pantographe.
3.1.2 Fonctions mécaniques
Les impératifs à satisfaire sont :
— plan de contact indépendant des mouvements subis par le
pantographe ;
— inertie la plus faible possible ;
— effort de contact constant quel que soit le développement ;
— sensibilité aux efforts aérodynamiques telle que la pression de
contact croît dans une limite admissible.
Suivant les conditions de déplacement du pantographe et
l’influence du vent, le contact peut être perturbé, provoquant un
« décollement » ponctuel de l’archet ; il y a rupture brusque du contact et naissance d’un arc entre archet et fil de contact, entraînant sa
dégradation rapide.
Ces fonctions mécaniques sont assurées par :
— un cadre articulé portant l’archet et fixé sur la toiture de l’engin
par des isolateurs (figure 3) ;
— un mécanisme de commande.
Le principe de la commande pneumatique avec ressorts est le suivant (figure 4). En position « baissée », le ressort du servomoteur de
commande équilibre l’effort des ressorts de montée agissant sur le
cadre articulé. La montée s’opère par admission d’air comprimé
D 5 530 − 4
articul
Cadres articulés
Servomoteurs
pneumatiques
Ressorts
Isolateurs
a commande par servomoteur
pneumatique et ressorts
b commande par servomoteur
pneumatique seul
Figure 3 – Nomenclature du pantographe
Rm
Rd
Air comprimé
Figure 4 – Fonctionnement de la commande pneumatique associée
aux ressorts
dans le servomoteur. La bielle de commande exerce un effort supérieur à celui du ressort de descente Rd ; les ressorts de montée Rm
participent au déploiement du cadre articulé jusqu’au contact de
l’archet avec la caténaire. Les ressorts de montée maintiennent une
pression constante, quelle que soit la hauteur du fil de contact.
Pour effectuer la descente, la chambre du servomoteur est mise à
l’atmosphère de sorte que l’effort exercé par le ressort de descente
Rd soit prédominant et la bielle de commande entraîne le repli du
cadre. Avant la fin de course, un dispositif amortisseur intégré à
l’électrovalve évite tout choc. La sécurité est assurée par manque
d’air ; l’action du ressort Rd provoque la descente du pantographe.
La commande par servomoteur pneumatique seul est assurée
directement par la régulation de l’admission d’air.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
____________________________________________________________________________ COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE
Pantographe continu
Mise à la terre
Poignée d'isolement
Pantographe monophasé
Disjoncteur
monophasé
Parafoudres
Poutre
Commutateur
monophasé/continu
Semelle
Conducteur latéral
Figure 7 – Prise de courant par frotteur et conducteurs latéraux
Figure 5 – Exemple de ligne de toiture. Schémas de principe
et installation
Figure 8 – Franchissement des lacunes
Deux rames en unités multiples sous 25 kV
Un pantographe en service par rame
Frotteur positf
Deux rames en unités multiples sous 1,5 kV
Un pantographe en service par motrice
Figure 6 – Configuration du captage des rames à grande vitesse
françaises de 8 ou 10 remorques
Rails
fer
Pistes de
roulement
Bogie
Rails de guidage
et conducteurs
Frotteur de retour sur rail fer
Figure 9 – Captage et retour de courant dans le cas du métro
sur pneumatiques
3.2 Ligne de toiture
Elle rassemble, outre le ou les pantographes, les appareils haute
tension tels que : disjoncteur monophasé, commutateur monophasé – continu pour les engins multitensions, parafoudres, mise à
la terre de la ligne de toiture, barres de connexion et traversées de
toiture conduisant le courant dans le compartiment machine. Son
schéma de principe et son installation sont représentés sur la
figure 5.
Dans le cas des rames à grande vitesse de 8 ou 10 remorques en
France, la contrainte à respecter est le soulèvement admissible de la
caténaire sous la pression de plusieurs pantographes, espacés de
200 m. Sous caténaire monophasée 25 kV, l’alimentation est assurée par un seul pantographe d’une des deux motrices. Une ligne de
toiture, constituée d’un câble isolé 25 kV, parcourt la totalité de la
rame. Un sectionneur HT, sur l’une des remorques extrêmes, permet
d’isoler une motrice du reste du train en cas de panne de l’une
d’elles.
Sous tension continue, la vitesse est limitée à 220 km/h, chaque
motrice est autonome et utilise son propre pantographe spécialisé à
la tension 1,5 kV (figure 6).
La partie mécanique n’a pas de contrainte aérodynamique
compte tenu des faibles vitesses pratiquées. Le support de la partie
frotteur est un cadre articulé en losange, comme un pantographe de
petite dimension, actionné par un dispositif pneumatique. La
semelle de prise de courant est soit en acier, soit garnie de bandes
en carbone (figure 7).
Le franchissement des « lacunes » de conducteurs latéraux au
droit des appareils de voie est assuré grâce à la présence de quatre
frotteurs par véhicule moteur, assurant ainsi la continuité d’alimentation (figure 8).
Dans le cas de métros sur pneumatiques (cas des lignes 1 et 6 de
Paris, métro de Lyon, Montréal, par exemple), les rails de guidage
latéraux sont utilisés comme conducteurs positifs sur lesquels viennent en contact les semelles des frotteurs, comme indiqué sur la
figure 9. Le retour de courant s’effectue par frotteurs sur les rails de
roulement puisque les roues de secours métalliques ne sont normalement pas en contact avec les rails de roulement.
3.4 Protections
Les protections électriques de l’engin moteur sont assurées par des
appareils de coupure rapide, d’isolement et de mise à la terre : disjoncteur, sectionneur de mise à la terre, parafoudre, mise à la masse.
3.3 Frotteur
Utilisée essentiellement par les transports urbains en tunnel, la
prise de courant par frotteur et conducteur latéral est bien adaptée
aux tensions basses de 600 V ou 750 V. Les fonctions électriques et
mécaniques sont identiques au pantographe.
3.4.1 Disjoncteur
C’est un appareil de coupure en charge sur défauts tels que :
surintensité, court-circuit, mise à la terre accidentelle. Son dimen-
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
D 5 530 − 5
COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE ____________________________________________________________________________
— coupure dans l’huile : les caractéristiques isolantes de celle-ci
ne favorisent pas la formation de l’arc ;
— coupure par allongement de l’arc combiné au soufflage
magnétique.
Chambre de coupure
avec contacts principaux
Sectionneur
de sécurité
Réservoir
d'air
comprimé
Clapet
d'admission
d'air
■ Disjoncteur à courant alternatif : les intensités nominales mises
en jeu sont relativement modestes, 300 A pour une locomotive de
6 000 kW en 25 kV. Deux technologies sont utilisées :
— renouvellement de l’air par soufflage : disjoncteur à air
comprimé ;
— absence d’air autour des contacts : disjoncteur à ampoule de
vide.
● Disjoncteur à air comprimé : un type très répandu en monophasé est le DBTF (disjoncteur basse tension ferroviaire), conçu par
Brown Boveri, dont le fonctionnement et la nomenclature sont indiqués sur la figure 10.
● Disjoncteur à ampoule de vide : la chambre de coupure est une
ampoule étanche sous vide poussé. L’absence d’ionisation autorise
un très court déplacement du contact mobile. Une telle technologie
permet un encombrement réduit et facilite son installation.
Électrovalve
de commande
b ouvert
a fermé
Figure 10 – Disjoncteur à air comprimé. Mécanisme d’ouverture et
de soufflage d’arc
sionnement est caractérisé par son pouvoir de coupure égal à n fois
le courant nominal et son temps de réponse (en millisecondes)
après détection du défaut. Il comprend :
— des contacts principaux assurant l’ouverture du circuit ;
— un mécanisme d’ouverture à action rapide capable d’emmagasiner de l’énergie restituée pour l’ouverture des contacts
principaux ;
— un circuit de commande assurant le fonctionnement du
mécanisme : armement, ouverture, fermeture ;
— un circuit auxiliaire recevant et fournissant les informations
d’état du disjoncteur.
L’ouverture d’un circuit de puissance sur défaut provoque un arc
électrique. En courant continu, l’arc est difficile à interrompre. En
courant alternatif, il s’annule au passage à zéro de la sinusoïde. La
fonction essentielle du disjoncteur est de détruire cet arc. Plusieurs
méthodes sont utilisées :
— coupure dans le vide : l’ionisation de l’air étant pratiquement
inexistante, l’arc est de faible intensité ([D 4 705], § 6) ;
— coupure par soufflage d’air comprimé, provoquant la régénération de l’air environnant les contacts s’opposant à l’ionisation
([D 4 705], § 5). Cette méthode est très utilisée en traction du fait de
la présence d’un réseau d’air comprimé pour le freinage ;
■ Disjoncteur à courant continu : il doit satisfaire deux contraintes
majeures, intensité élevée, arc difficile à éteindre. La solution consiste à limiter l’ionisation de l’air environnant les contacts grâce à :
— l’ouverture rapide des contacts dont le déplacement est très
court ;
— le soufflage intense d’air comprimé ;
— l’extension de l’arc pour réduire sa densité en milieu faiblement ionisé dans une chambre de coupure de grandes dimensions.
Le tableau 2 donne quelques caractéristiques de disjoncteurs,
continu et monophasé, pour différents types de matériels de traction.
3.4.2 Autres protections
Le circuit haute tension est complété par un ou plusieurs parafoudres, destinés à protéger la ligne de toiture contre les surtensions atmosphériques. Dans le cas des métros, un fusible haute
tension est placé en aval du frotteur.
■ Dispositif de palpage : les engins multitensions sont munis d’un
dispositif de palpage interdisant toute fermeture du disjoncteur si
l’équipement de puissance en aval n’est pas configuré suivant la
tension sélectionnée.
■ Mise à la terre : son rôle est de mettre tous les appareils d’alimentation à la masse de l’engin pour permettre l’intervention sur le circuit de puissance.
(0)
Tableau 2 – Caractéristiques de disjoncteurs
Utilisation
Tension
(V)
Intensité
nominale
(A)
Pouvoir de coupure lcc
(kA)
Intensité de surcharge
(A)
1 min
15 s
L/R = 2 ms
L/R = 15 ms
L/R = 30 ms
Métro
750 dc
1 200
3 500
4 000
> 25
> 35
> 45
Tramway
750 dc
2 000
4 200
6 300
> 50
> 65
> 70
100
80
50
52
45
45
1 500 dc
3 000 dc
Locomotive
25 000
(50 Hz)
15 000
(16,7 Hz)
5 000
1 000
10 000
16 kA symétrique sous 25 kV
25 kA symétrique sous 15 kV
Courant de fermeture : 54 kA ; crête sous 25 kV
dc : direct current, courant continu.
D 5 530 − 6
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
____________________________________________________________________________ COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE
25 kV/50 Hz
15 kV/16,7 Hz
Conservateur
1500 V dc
Filtre principal
Bornes de sortie primaire
et secondaires
Soupape de sûreté
Bornes de sortie selfs
Vers bus continu
Radiateur
Secondaire 1
Pompes à huile
Prise sous 15 kV
Prise sous 25 kV
Transformateur
+
selfs
Figure 12 – Schéma de refroidissement
Secondaire 2
Soupape
de
sûreté
Bornes HT
Secondaire 3
Conservateur
Énergie
(train)
Secondaire 4
Radiateur
Figure 11 – Schéma de puissance tritension : transformateur et selfs
Radiateur
Brancard
de fixation
4. Adaptation de la tension
alternative : transformateur
Pompe à huile
Cuve étanche
Figure 13 – Transformateur de 5 000 kVA
4.1 Transformateur et selfs
Sous caténaire monophasée, le transformateur abaisse la tension
– 25 kV (50 ou 60 Hz) ou 15 kV (16,7 Hz) – à un niveau adapté au fonctionnement des moteurs de traction : de 1 500 à 2 000 V.
Nous ne développons pas son principe très connu [D 3 050], mais
en traction ferroviaire, le transformateur pose un double problème
d’encombrement : dimensions et masse. Comme il est pratiquement impossible de lui donner les mêmes caractéristiques, toutes
choses égales par ailleurs, qu’un transformateur industriel ou de
centrale, le compromis se fait au détriment du rendement. On
obtient couramment 94 % : c’est faible en comparaison de celui des
transformateurs de grande puissance atteignant couramment 99 %.
En conséquence, il faut accepter des pertes élevées, donc un système de refroidissement lourd. Un transformateur de 7 000 kVA, par
exemple, exige l’évacuation de 420 kVA. Pour compenser en partie
ce handicap, il est intéressant de bénéficier de son encombrement
et de son refroidissement pour y intégrer l’ensemble des bobinages
du circuit de puissance, tels que selfs de filtre, selfs de lissage, etc.
Le dimensionnement du transformateur comprend, outre le ou les
secondaires « traction », la puissance nécessaire aux auxiliaires de
l’engin et du train (chauffage, climatisation). Ceux-ci (§ 8) sont soit
titulaires d’un secondaire spécifique, soit connectés sur les étages de
conversion. Le schéma de la figure 11 donne un exemple de transformateur et selfs d’une locomotive tritension 25 kV/50 Hz, 15 kV/16,7 Hz
et 1 500 V dc, avec un enroulement spécifique pour l’énergie du train.
4.2 Refroidissement
L’ensemble transformateur et selfs est logé dans une cuve étanche contenant de l’huile minérale à circulation forcée. Le refroidissement de l’huile se fait par échangeur avec l’air, lui-même en
circulation forcée. Un conservateur d’huile constitue une réserve de
dilatation (figures 12 et 13).
4.3 Transformateur à moyenne fréquence
Pour satisfaire au mieux les contraintes d’encombrement et de
masse, la solution en cours de développement consiste à faire travailler le transformateur dans le domaine des moyennes fréquences,
réduisant ainsi le volume du circuit magnétique. Sous tension monophasée, un ensemble de convertisseurs d’entrée (redresseurs
+ onduleurs) connectés en série alimente un transformateur, alimentant lui-même une chaîne de traction. La fréquence de fonctionnement
des transformateurs est de quelques kilohertz (figure 14).
5. Conversion électrique
5.1 Différents types de convertisseurs
et leurs applications
Les convertisseurs se répartissent en trois types :
— redresseur monophasé 4-quadrants (figure 15a) délivrant une
tension redressée régulée servant, à partir de la tension secondaire
du transformateur, de bus continu d’alimentation de l’onduleur. Il
est réversible et fonctionne en onduleur lors du freinage par récupération. Il est parfois dénommé « pont monophasé à commutation
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
D 5 530 − 7
COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE ____________________________________________________________________________
25 kV/50 Hz
15 kV/16,7 Hz
MAS
1
MAS
2
Frotteurs
Filtre
MAS
3
Hacheur
Rhéostat
Onduleur
MAS
4
MAS
Figure 16 – Convertisseurs de motrice de métro
MAS machine asynchrone
Figure 14 – Schéma de puissance avec transformateur à moyenne
fréquence
Bus
continu
Secondaire
transformateur
Moteur
asynchrone
Rhéostat
de freinage
c hacheur
Figure 15 – Convertisseurs
forcée » (PMCF), redresseur mixte, onduleur MLI (modulation de largeur d’impulsion, redresseur actif) ;
— onduleur (figure 15b) délivrant, à partir du filtre principal ou
du bus continu, une tension et une fréquence variables, permettant
ainsi le réglage du couple du moteur asynchrone de traction, en
traction et en freinage électrique ;
— hacheur (figure 15c) permettant de limiter la tension du bus
intermédiaire en « freinage rhéostatique ».
L’association de ces convertisseurs couvre la totalité des cas de
traction, quelle que soit l’alimentation ou la configuration des
moteurs.
D 5 530 − 8
Chaque chaîne de traction est composée d’un redresseur
4-quadrants opérant en monophasé et alimentant le bus continu.
On remarque la possibilité de fonctionner sous les deux tensions
caténaires alternatives à l’aide de deux sorties secondaires.
Sous caténaire continue, chaque bus est connecté au filtre principal. Chaque onduleur alimenté par chaque bus contrôle un moteur
asynchrone. Un hacheur rhéostatique équipe chaque chaîne de
traction.
b onduleur
Bus
continu
Notons qu’en termes de disponibilité, une panne sur l’un des
convertisseurs entraîne la neutralisation de la motrice complète. Ce
handicap est compensé par la présence de plusieurs motrices dans
la rame – généralement trois, voire quatre – de sorte que la continuité de l’exploitation soit assurée avec un tiers ou un quart de puissance en moins.
■ Locomotive
multitension
(25 kV/50 Hz ;
15 kV/16,7 Hz ;
1 500 V dc) : l’architecture présente quatre chaînes de traction distinctes assurant ainsi une indépendance de chaque essieu moteur à
partir des secondaires du transformateur (figure 17). La disponibilité est donc optimum en cas de défaillance de l’une des chaînes.
a redresseur 4-quadrants
Bus
continu
■ Métro sous 750 V continu : à partir du captage du courant par
frotteurs, le filtre alimente un onduleur sur lequel sont connectés en
parallèle les quatre moteurs d’une motrice (figure 16). En freinage
par récupération, les moteurs fonctionnent en génératrices asynchrones et l’onduleur fonctionne en redresseur. Si le réseau ne peut
pas récupérer toute l’énergie de freinage, le complément est dissipé
à bord dans un rhéostat contrôlé par un hacheur ; le hacheur se
borne à limiter la tension du bus continu.
■ Locomotive à moteur thermique à transmission électrique :
l’architecture tient compte de l’encombrement du groupe électrogène qui ne permet pas de disposer de tout l’espace nécessaire à
des chaînes de traction indépendantes pour chaque moteur,
d’autant plus que les engins thermiques sont fréquemment de
configuration CoCo (locomotive à 2 × 3 essieux moteurs, où chaque
essieu est entraîné par un moteur) [D 5 510]. Au détriment d’une
modularité complète, deux chaînes de traction distinctes sont
connectées en parallèle sur le redresseur principal en sortie
d’alternateur : deux onduleurs alimentant chacun deux ou trois
moteurs, suivant le nombre d’essieux moteurs. Un hacheur rhéostatique complète chacune des chaînes (figure 18).
5.2 Évolution et structure
des convertisseurs
L’évolution des convertisseurs de traction à semi-conducteurs a
suivi celle des composants disponibles sur le marché industriel. La
figure 19 en donne les principales étapes [D 3 100] [D 3 107].
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
____________________________________________________________________________ COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE
25 kV/50 Hz
15 kV/16,7 Hz 1 500 V dc
Transistor
IGBT
6 500 V-600 A
Filtre principal
Redresseur/onduleur
Thyristor
GTO
3 300 V-1 200 A
Hacheur - onduleur
MAS
1
Thyristor
rapide
4 500 V-3 000 A-Ø 85 mm
Hacheur
MAS
2
Thyristor
lent
2 200 V-55 µs-Ø 75 mm
Redresseur contrôlé
MAS
3
4 200 V-1 000 A-Ø 75 mm
1960
Énergie
(train)
MAS
4
Transformateur
Hacheurs
+
Rhéostats
selfs
Redresseurs
4-quadrants
1970
1980
1990
a évolution des semi-conducteurs
6,5 kV
600 A
Onduleurs
3,3 kV
1200 A
Moteurs
asynchrones
1,7 kV 2x800 A
1,6 kV
1,2 kA
IGBT insulator gate bipolar
transistor
Onduleur
MAS
1
MAS
2
MAS
3
Hacheurs
Rhéostats
GS
3~
MAS
4
Redresseur
3,3 kV
1200 A
b évolution du transistor IGBT
Figure 17 – Convertisseurs de locomotive multitension
à quatre essieux moteurs
Groupe
électrogène
2000
GTO gate turn-off
1985
1990
1995
2000
2005
Figure 19 – Évolution des semi-conducteurs utilisés en traction
ferroviaire
— les capteurs de mesure ;
— les circuits de contrôle et commande de grille.
5.3 Refroidissement
MAS
5
Onduleur
GS génératrice synchrone, alternateur
MAS
6
Figure 18 – Convertisseurs de chaîne de traction thermoélectrique
À l’heure actuelle, la quasi-totalité des développements de nouveaux matériels moteurs utilise le couple onduleur - moteur de traction asynchrone. Le composant de base de tous les convertisseurs
étudiés ci-avant est le transistor IGBT (insulator gate bipolar transistor) ([D 3 109], § 2). De la sorte, la modularité atteint un niveau tel
que, quels que soient les engins de traction – de la locomotive à
grande puissance au tramway –, les types de convertisseurs sont
strictement identiques. Ils ne différent que par le type d’IGBT et leur
mode de refroidissement (§ 5.3).
L’évacuation des pertes revêt une importance primordiale
[D 3 112]. Elle tient compte des impératifs :
— de l’environnement ferroviaire : type d’engin moteur, conditions climatiques, lieux de circulation (air libre ou tunnel) ;
— des contraintes d’environnement relatives à l’interdiction de
certains fluides par les conventions internationales.
Nota : la convention de Montréal interdit notamment les fluides à base de fréon (trichlorofluoroéthane).
Les deux fluides caloporteurs les plus utilisés sont l’air et l’eau.
Sur la figure 20 sont représentés deux exemples de modules.
Chaque module comprend :
■ Refroidissement à l’air : l’air ambiant peut être mis en œuvre soit
par convection naturelle, soit par ventilation forcée. Le premier cas
est souvent retenu pour la circulation en tunnel des métros afin
d’éviter l’encrassement des radiateurs en milieu confiné. Le module
est placé sur radiateur à ailettes permettant la surface maximale
d’échange. L’ensemble est monté sous la caisse ou en toiture de
l’engin moteur, bénéficiant ainsi du flux d’air en circulation
(figure 21).
— les transistors IGBT boulonnés sur une plaque ou un
radiateur ;
— les barres de connexion, de sorte que la self de câblage soit
extrêmement faible ;
— les bornes de sortie ;
— la ou les capacités de commutation ;
■ Refroidissement à l’eau : l’eau de refroidissement est mise en
œuvre : soit par tubes étanches (système « caloduc »), soit par circulation forcée d’eau. Le tube étanche utilise le même principe que le
réfrigérateur sans compresseur : l’énergie de circulation de l’eau est
apportée par le composant dissipatif via une plaque en aluminium.
Sous l’effet de l’apport énergétique, l’eau s’évapore et la vapeur, en
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
D 5 530 − 9
COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE ____________________________________________________________________________
Ailettes
Contrôle
GD
GD
GD
GD
GD
GD
GD
VS
Tubes
échangeurs
a hacheur/onduleur
IGBT
Contrôle
GD
Cuivre
Aluminium
GD
VS
Figure 22 – Refroidissement par tubes étanches
GD
GD
b redresseur 4-quadrants
VS voltage sensor, capteur de tension
GD gate control, contrôle de gâchette
Entrée
d'eau
Plaque
d'aluminium
IGBT
Figure 20 – Modules
Cuivre
Sortie
d'eau
Module
Module
Figure 23 – Refroidissement par circulation forcée d’eau
Radiateur
Radiateur
Figure 21 – Montage des modules en refroidissement naturel
partie haute, se condense pour revenir en phase liquide. Des ailettes
permettent la dissipation des joules par le flux d’air de ventilation de
l’ensemble (figure 22).
En circulation forcée, l’eau circulant dans les conduits des plaques
sur lesquelles sont montés les semi-conducteurs, extrait les joules
qui sont dissipés dans un radiateur ventilé. L’eau est additionnée de
produit antigel (figure 23).
5.4 Appareillage électromécanique
Les schémas de puissance avec semi-conducteurs intègrent un
minimum d’appareillage électromécanique qui n’a plus rien de
commun avec les générations précédentes. Leur emploi se réduit
aux sectionneurs et, plus rarement encore, à quelques contacteurs.
■ Sectionneur : sa fonction est d’assurer ou non le passage du courant dans un circuit ; sa manœuvre doit s’effectuer strictement à
vide. Il ne peut ouvrir ou fermer un circuit en charge, même nomi-
D 5 530 − 10
nale. La contrainte à satisfaire est qu’il doit supporter sans dommage le passage d’un courant de court-circuit de plusieurs dizaines
de kiloampères, donc supporter des efforts électrodynamiques élevés. Sa commande peut être électromagnétique ou électropneumatique si l’on dispose d’air comprimé à bord. Il est unipolaire ou
multipolaire. Le sectionneur intervient essentiellement dans la
reconfiguration des circuits : isolement d’une chaîne de traction
d’un moteur en cas d’avarie, changement de tension d’alimentation
par exemple.
■ Contacteur : il assure la fermeture et l’ouverture d’un circuit en
charge. Son dimensionnement lui permet de couper l’arc dans les
meilleures conditions. Ses caractéristiques principales sont :
— tension nominale ;
— courant permanent et courant de coupure ;
— tension du circuit de commande.
Sa commande peut être électropneumatique ou électromagnétique. Afin de préserver la plus grande longévité, donc une maintenance réduite, les contacts principaux peuvent être en deux
groupes, contacts de conduction, contacts de coupure, réalisant une
cinématique à double circuit :
— un circuit de conduction assure le passage du courant
permanent ;
— un circuit de transition permet d’assurer les phases d’établissement et d’interruption du courant.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
____________________________________________________________________________ COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE
Rhéostat
Moteur de traction
Châssis de bogie
M
3
Motoventilateur
Suspension
du moteur
Onduleur
Figure 24 – Alimentation de la ventilation de rhéostat
Réducteur
Essieu
6. Rhéostat de freinage
Figure 25 – Moteur de traction semi-suspendu
Son emploi est très répandu lorsque le réseau d’alimentation
n’est pas apte au freinage par récupération et il est naturellement
utilisé dans le cas de la traction autonome.
organe lourd et, du fait de la vitesse de circulation, les accélérations
verticales engendrées par les défauts de voie provoquent une
dégradation de la table de roulement des rails, voire même une
fatigue importante des composants du moteur (roulements, bobinages, etc.).
Sa caractéristique est la valeur ohmique r qui détermine la puissance à dissiper :
P = rI2
Les valeurs couramment atteintes sont de 800 kW à 2 400 kW.
En fonction du matériau résistant choisi, généralement un ruban en
alliage nickel-chrome, on détermine la puissance thermique à ne pas
dépasser et la ventilation à prévoir. Il existe deux principaux types :
— les rhéostats à convection naturelle, du type hélice, souvent
montés en toiture. Leur température de fonctionnement se situe
entre 400 et 600 ˚C, 1 000 ˚C en surcharge exceptionnelle. Ils sont largement utilisés en transport suburbain ;
— les rhéostats à ventilation forcée : la résistance est un ruban
monté en caisson. L’ensemble des caissons avec son ventilateur
constitue une colonne.
La ventilation (figure 24) est fournie par un groupe moteur –
ventilateur dont l’alimentation peut s’effectuer par un « talon de
rhéostat », l’onduleur est réglé pour assurer une vitesse de rotation
proportionnelle au courant de freinage.
7. Moteur de traction
Comme il a été déjà indiqué, le type de moteur de traction presque universellement utilisé quelle que soit la puissance est le
moteur asynchrone triphasé à cage d’écureuil. Son principe est largement exposé par ailleurs [D 3 480] [D 3 485] [D 3 490] [D 5 502].
Nous donnons quelques aspects sur son installation et son refroidissement.
■ Transmission directe gearless : le rotor du moteur est directement
calé sur l’axe de l’essieu et le stator est fixé rigidement sur l’ensemble de roulement pour conserver un entrefer constant. Cette disposition a été couramment utilisée sur les premiers engins moteurs
électriques, comme les tramways circulant à faible vitesse. Quelques recherches sont en cours pour développer à nouveau cette
technologie. Son utilisation s’étend aux moteurs-roues des trolleybus. L’inconvénient majeur de la transmission directe est l’accroissement de la masse « non suspendue » sur l’essieu, la rendant
particulièrement agressive pour la voie.
■ Transmission par réducteur à engrenages : le couple au niveau de
l’arbre du moteur est adapté à celui qui est développé au niveau de
la roue grâce à un train d’engrenages dont le rapport du nombre de
dents donne le rapport de réduction. Ce type de transmission se
décline en plusieurs variantes selon que l’on souhaite réduire plus
ou moins l’influence de la masse non suspendue constituée par le
moteur de traction et son réducteur.
L’un des dispositifs est représenté sur la figure 25 : le moteur et
son réducteur sont fixés rigidement par rapport à l’essieu grâce à un
palier à roulements ; l’autre extrémité du moteur est fixée élastiquement sur le châssis de bogie. Seule la moitié de la masse
moteur + réducteur est non suspendue.
Pour les vitesses élevées (> 160 km/h), le moteur et le réducteur
sont entièrement suspendus sur le châssis de bogie, voire même fixés
sous le châssis de l’engin (cas des motrices TGV). La transmission
exige un accouplement élastique entre l’arbre du moteur et l’essieu
pour absorber les débattements entre essieu et bogie ou caisse.
La disposition adoptée pour certains tramways tient compte de la
contrainte du « plancher bas ». Le bogie est alors équipé de roues
indépendantes et non plus d’essieux, de sorte que les moteurs
entraînent les roues unilatéralement, comme le montre la figure 26.
7.1 Installation
7.2 Refroidissement
La fonction de base de l’installation est la transmission du couple
à l’essieu. Deux dispositions sont pratiquées :
— la transmission directe, ou gearless ;
— la transmission par réducteur à engrenages.
Les contraintes à satisfaire, en plus de la transmission de l’effort,
sont la stabilité de roulement du bogie et une faible agressivité sur
la voie ; pour cela, la masse du moteur et sa fixation dans le bogie
sont des données. Le moteur est en effet, par construction, un
L’évacuation de la chaleur produite par le moteur fait appel aux
deux fluides de refroidissement habituels : l’air ou l’eau.
L’air peut être introduit en ventilation forcée à l’aide de ventilateurs placés en caisse, ou en autoventilation grâce à une roue à
ailettes calée sur le bout d’arbre du moteur. Dans les deux cas, un filtrage du flux d’air doit être placé en amont de son entrée dans le
moteur.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
D 5 530 − 11
COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE ____________________________________________________________________________
Chargeur
de batterie
Circuits
BT
Excitation
alternateur
auxiliaire
Excitation
alternateur
principal
Batterie
Redresseur
GS
3~
Moteur de traction
GMV
3~
GMV
3~
Ventilation
des allternateurs
Figure 26 – Moteurs entièrement suspendus sur bogie à roues
indépendantes
Alternateur
principal
Alternateur
Moteur thermique
auxiliaire
GS
3~
GMV
3~
GMV
3~
Ventilation
aéroréfrigérante
du bloc électrique
Ventilation
des moteurs
de traction
GMV
3~
Climatiseurs
Ventilation
des radiateurs
Diesel
Ventilation
du rhéostat
de freinage
Figure 28 – Schéma des auxiliaires en traction autonome
Abonné 1 Abonné 2 Abonné n
GS
3~
Un exemple de schéma des auxiliaires est donné sur la figure 28.
L’alternateur auxiliaire délivre une tension triphasée utilisée :
Traction
Abonné 1 Abonné 2 Abonné n
Moteur thermique
GS
3~
Alternateur à deux enroulements
— par les abonnés triphasés : groupes moteurs-ventilateurs
(GMV), climatisation ;
— par un pont redresseur alimentant un réseau continu sur
lequel viennent se connecter les hacheurs à IGBT des circuits d’excitation – alternateurs principal et auxiliaire –, le chargeur de batterie
et les circuits BT.
Traction
Figure 27 – Alimentation des auxiliaires
Le refroidissement à l’eau se développe pour les moteurs
nécessitant un encombrement réduit. Il présente de plus deux avantages intéressants : absence de pollution interne du moteur qui est
alors étanche et à l’abri de l’air, et par conséquent plus silencieux.
8. Auxiliaires
Les fonctions auxiliaires ont été analysées dans [D 5 520] (§ 2.6).
Nous analysons ici les différentes architectures en fonction du type
de traction.
8.1 Traction autonome
L’alimentation des auxiliaires par un réseau électrique a remplacé
leur entraînement mécanique par arbres et courroies. Le groupe
électrogène comprend un générateur dédié au réseau auxiliaire. Il
peut être (figure 27) soit intégré au générateur principal de traction
par un enroulement spécifique, soit séparé et monté sur le même
arbre du moteur thermique.
D 5 530 − 12
8.2 Traction électrique
Suivant le type d’engin, monophasé, continu ou multitension,
l’architecture d’alimentation des auxiliaires se schématise différemment.
■ Monophasé : c’est le cas le plus simple, un enroulement secondaire « auxiliaire » du transformateur principal sert de générateur
pour le réseau MT, sous 400 V ou 500 V. Un secondaire spécifique
peut également être prévu pour fournir l’énergie pour le train sous
tension monophasée, généralement 1 500 V, voire 3 000 V
(figure 29).
■ Continu : le réseau auxiliaire est alimenté par un convertisseur
continu/triphasé connecté à la haute tension en aval du filtre principal. Pour assurer une fiabilité optimale, deux convertisseurs peuvent être redondants. Dans ce cas, chacun d’eux est dimensionné
pour fournir la totalité de la puissance auxiliaire (figure 30).
■ Multitension : la solution « continu » est privilégiée. Un ou deux
convertisseurs continu/triphasé sont branchés sur le ou les bus de
traction. Il serait prohibitif de disposer d’un secondaire auxiliaire
pour l’alimentation en monophasé et ensuite d’un convertisseur
pour le réseau (figure 31).
Un hacheur abaisse la tension en entrée de l’onduleur qui peut
être à fréquence fixe ou à fréquence variable. La structure d’un
convertisseur est indiquée sur la figure 32.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
____________________________________________________________________________ COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE
Tension
du bus
continue
400 V
50 Hz
400 V
fréquence
variable
Charge de la batterie
Secondaires
de traction
Figure 32 – Structure d’un convertisseur
Énergie du train
1 500 V ac
Figure 29 – Alimentation des auxiliaires sous tension monophasée
Secondaires
de traction
Réseau
400 V
Traction
a alimentation des auxiliaires
Triphasé
380 V
Onduleur MLI
400 Hz
Filtre
Batteries
1 et 2
GMV
PH1
GMV
PH2
Figure 30 – Alimentation des auxiliaires sous tension continue
GMV
AC
GMV
Ventilation
des blocs
moteurs
DC
GMV
GMV
Circuits BT
Pompes à huile
Ventilation
du transformateur
M1
M2
M3
M4
Excitation des moteurs
synchrones
b auxiliaires motrices
M1
Chauffage
1 500 V / 3 000 V
+ 500 V (M1)
Moteur 3
400 V/50 Hz
Moteur 2
400 V
fréquence
variable
– 500 V (M2)
M4
Climatisation
Figure 31 – Alimentation des auxiliaires en multitension
Exemple : réseau des auxiliaires d’une rame automotrice
(figure 33)
Les abonnés sont classés en fonction de leur nature et de leur
emplacement dans la rame :
— auxiliaires des motrices ;
— auxiliaires des remorques ;
— auxiliaires haute tension.
Un réseau est prévu pour chacun d’eux et mis en redondance de
sorte que si l’un des convertisseurs d’alimentation de l’une des
motrices est en panne, la totalité est prise en charge par le convertisseur restant.
220 V
380 V
c auxiliaires des remorques
Figure 33 – Réseau des auxiliaires d’une rame motrice
9. Installation des composants
Les composants des circuits de puissance et des auxiliaires sont
groupés en blocs. Leur répartition répond aux contraintes de
masse et d’encombrement, d’évacuation des pertes et de maintenance. L’évolution des blocs électriques est profondément marquée
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
D 5 530 − 13
COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE ____________________________________________________________________________
Rhéostat
de freinage
Groupe de
refroidissement
Auxiliaires
Bloc de traction
Disjoncteur
Groupe électrogène
Bloc
électrique
Bogie moteur
Moteurs de batteries
Soute
a tramway
Figure 34 – Locomotive à traction autonome
Bogie
monomoteur
Batteries
auxiliaires
Bloc
onduleur
Bogie
monomoteur
b métro
Figure 36 – Tramway et métro
Auxiliaires
Bloc
électrique
Rhéostat
de freinage
Transformateur
Moteurs de batteries
Auxiliaires
Bloc
électrique
Rhéostat
de freinage
Transformateur
Bloc
électrique
Auxiliaires
■ Tramway et métro (figure 36) : la totalité de l’espace est dédié
aux passagers. L’ensemble des composants est obligatoirement
concentré en toiture ou sous le châssis de l’engin. Dans le cas du
tramway, dont la configuration dite « à plancher bas » se généralise,
le seul emplacement disponible pour les composants est la toiture.
Les motrices composant une rame de métro voient leurs équipements installés sous le châssis, les quais de station étant suffisamment hauts, ils autorisent un gabarit important en partie basse. On
notera la disposition de bogies à un seul moteur de traction entraînant les deux essieux (métro de Paris).
Figure 35 – Locomotive électrique
par la conception modulaire des sous-ensembles, notamment des
convertisseurs à semi-conducteurs. La modularité permet de disposer de plusieurs blocs spécialisés, de moindres dimensions :
— bloc moteur par unité : bogie ou essieu ;
— bloc auxiliaire ;
— bloc commun comprenant les organes communs (disjoncteur
continu, filtre, etc.) ;
— bloc de freinage rhéostatique.
Nous donnons ci-après les dispositions des composants électrotechniques de trois types d’engins moteurs.
■ Locomotive à traction autonome (figure 34) : l’espace du compartiment des machines est occupé en grande partie par le groupe
électrogène et son groupe de refroidissement ; la soute à combustible occupe la partie centrale sous le châssis. Il reste donc un
volume réduit pour le bloc électrique comprenant les onduleurs et
leur commande. Le rhéostat de freinage est, quant à lui, intégré à la
toiture de la locomotive. Ces contraintes ne permettent pas d’installer une puissance bien supérieure à la moitié de celle d’un engin à
traction électrique.
■ Locomotive électrique (figure 35) : l’espace est totalement disponible pour les fonctions de transformation et conversion. Le transformateur, dans sa configuration actuelle, est très fréquemment
installé sous le châssis, favorisant l’abaissement du centre de gravité de l’ensemble. Les blocs sont disposés symétriquement de part
et d’autre d’un couloir central, permettant une maintenance aisée.
D 5 530 − 14
10.Conclusion
L’architecture électrotechnique du matériel moteur ferroviaire a
bénéficié, depuis les années 1970, d’une révolution complète avec le
développement des semi-conducteurs contrôlés associés à la commande par calculateurs. Le moteur asynchrone a supplanté quasi
complètement le moteur à collecteur à courant continu. Les composants ainsi mis en œuvre ont permis une rationalisation de l’évacuation des pertes à l’aide de fluides parfaitement écologiques, l’air ou
l’eau.
Les technologies ainsi mises en œuvre ont permis des progrès
considérables en termes de productivité. Il est fréquent de rencontrer des taux d’utilisation d’engins moteurs supérieurs à 30 000 km
mensuels sans pratiquement aucune opération de maintenance. Les
temps d’immobilisation sont réduits à de simples échanges de sousensembles.
L’aspect modulaire des composants, outre qu’il permet la fabrication en grande série quelle que soit la catégorie d’engin, autorisant
des gains sur investissements très importants, permet d’accroître de
manière très sensible la disponibilité en service. L’avarie d’un composant d’une chaîne de traction n’affecte pas les autres et permet
une continuité de puissance suffisante pour la mission. Enfin, la
modularité se conjugue parfaitement avec une libération de
l’espace au profit du client transporté.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
____________________________________________________________________________ COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE
Références bibliographiques
Articles et ouvrages
Dans les Techniques de l’Ingénieur
[1]
DEBRUYNE (M.). – Les chaînes de traction à
IGBT de forte puissance. Revue Générale des
Chemins de Fer (avr. 2001).
[9]
[2]
JEUNESSE (A.) et DEBRUYNE (M.). –
BB 36000. La locomotive multitension européenne. REE, no 9 (1998).
[10]
[3]
DEBRUYNE (M.). – High power IGBT traction
drives. World Congress on Railway Research,
Cologne (nov. 2001).
[4]
KALLER (R.) et ALLENBACH (J.M.). – Traction
Électrique. Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (1995).
[5]
CHAPAS (P.). – La Traction Ferroviaire. Documentation interne, Alstom Transport (2001).
[6]
Les Constructions. Guide de la technique (4).
Presses Polytechniques et Universitaires
Romandes (1993).
[7]
Notices des matériels roulants, documentation interne, Alstom Transport.
[12]
[13]
[14]
[15]
Revue
[8]
[11]
Revue Générale des Chemins de Fer, de 1954
à 2003.
[16]
MANESSE (G.). – Transformateurs statiques.
Principes et fonctionnement. [D 3 050], Convertisseurs et machines électriques (2000).
LETURCQ (P.). – Composants semi-conducteurs de puissance : caractères propres.
[D 3 100], Convertisseurs et machines électriques (1999).
LETURCQ (P.). – Composants semi-conducteurs de puissance bipolaires. [D 3 106],
[D 3 107], Convertisseurs et machines électriques (2001).
LETURCQ (P.). – Semi-conducteurs de puissance unipolaires et mixtes. [D 3 108],
[D 3 109], Convertisseurs et machines électriques (2001, 2002).
DORKEL (J.-M.). – Semi-conducteurs de puissance. Problèmes thermiques. [D 3 112],
[D 3 113], Convertisseurs et machines électriques (2003).
POLOUJADOFF (M.). – Machines asynchrones. Régime permanent. [D 3 480], Convertisseurs et machines électriques (1998).
POLOUJADOFF (M.). – Machines asynchrones. Régimes quelconques. [D 3 485], Convertisseurs et machines électriques (2000).
DESSOUDE (M.). – Moteurs asynchrones.
Choix et problèmes connexes. [D 3 490],
Convertisseurs
(1996).
et
électriques
[17]
THÉOLEYRE (S.). – Techniques de coupure en
moyenne tension. [D 4 705], Réseaux électriques et applications (1999).
[18]
PROVOOST (M.) et COURTOIS (C.). – Traction
électrique ferroviaire. Dynamique ferroviaire
et sous-stations. [D 5 501], Réseaux électriques et applications (1998).
[19]
SABATÉ (V.). – Traction électrique ferroviaire.
Convertisseurs et moteurs. [D 5 502],
Réseaux électriques et applications (1998).
[20]
CHAPAS (P.). – Composantes et applications
électriques du système ferroviaire. [D 5 510],
Réseaux électriques et applications (2003).
[21]
CHAPAS (P.) et PETIT (M.). – Dimensionnement des engins moteurs ferroviaires.
[D 5 526], Réseaux électriques et applications (2004).
[22]
MULLER (G.). – Tramways. [C 4 440], Construction – Généralités (2000).
Normes Afnor et UIC
[23]
CHAPAS (P.). – Traction électrique ferroviaire.
Pour en savoir plus. [D 5 504], Réseaux électriques et applications (2004).
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur
Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
machines
D 5 530 − 15