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Recherche terminée
Groupe Opérationnel nº 1
N° de contrat : ANR-08-VTT-013
Axe thématique :
CONCIGI_HT. Nouvelles technologies de l’électronique de puissance haute tension
pour l’efficacité énergétique des véhicules ferroviaires.
Année de financement : 2008
Rattachement à un programme : Pr : VTT
Type de sélection : ANR VTT (2008)
Partenaire principal : LAPLACE [INPT, Univ. Toulouse III]
Responsable scientifique : Philippe LADOUX
Partenaires secondaires : Alstom Transport ; SATIE [ENS Cachan]
Coût de la recherche : 3 022 879 € TTC
Montants du financement : 1 563 572 € TTC
Durée de la recherche : 36 mois
Mots clés :
Problématique
Vers une nouvelle architecture de conversion d’énergie électrique pour les automotrices
Ce projet concerne la réalisation, pour la traction électrique ferroviaire, d’une nouvelle architecture de conversion
alternatif-continu haute tension compacte et à isolement galvanique intégré. Il s’agit d’un projet de recherche
industrielle qui réunit deux laboratoires de recherche, le LAPLACE (Toulouse), le SATIE (Cachan) et la société ALSTOM
Transport (Tarbes). Du point de vue de l’industriel, il est primordial d’accroître le rendement d’une chaîne de traction
tout en réduisant le volume et la masse de l’étage de conversion alternatif continu qui permet l’alimentation des
engins à partir d’une caténaire haute tension (25 kV/50 Hz). Le domaine d’application est principalement les rames
automotrices où il faut offrir un maximum d’espace pour les passagers et réduire la consommation énergétique. Les
principaux verrous technologiques au développement d’une électronique de puissance embarquée haute tension ont
été adressés dans le cadre de ce programme :
 Réalisation de composants électroniques de puissance haute tension à faible pertes.
 Réalisation d’un transformateur sec de volume réduit et isolé haute tension.
 Réalisation d’un dispositif de refroidissement isolé haute tension
 Réalisation d’une commande par micro-ondes d’un convertisseur multicellulaire.
L’objectif final du projet est l’assemblage d’un module de conversion alternatif continu intégrant l’ensemble des
nouvelles technologies étudiées.
Etude et réalisation de nouvelles technologies pour les applications haute tension embarquées.
Pour augmenter la fréquence de fonctionnement du transformateur d’entrée, et donc réduire son volume et sa
masse, il faut utiliser une nouvelle architecture de conversion multicellulaire où une partie de l’électronique de
puissance doit fonctionner en haute tension (plusieurs dizaine de kV) et à fréquence élevée (plusieurs kHz). Du point
de vue de l’électronique de puissance ce projet a nécessité le développement et la mise en œuvre de modules de
puissance intégrant des semi-conducteurs au carbure de silicium (SiC) ayant une tenue en tension de 10 kV. Dans
l’architecture de conversion considérée, par rapport à l’utilisation de semi-conducteurs au silicium (Si), cela a permis
de multiplier par cinq la fréquence de fonctionnement et d’atteindre un rendement supérieur à 97%. En parallèle à
cela nous avons proposé une nouvelle technologie de transformateur à isolement sec répondant à la norme
ferroviaire (60 kV) fonctionnant à une fréquence de de 5 kHz. Cet objectif a été atteint grâce à l’utilisation d’un circuit
magnétique en matériau nanocristallin, d’une technologie de bobinage minimisant l’effet de peau dans les
conducteurs et le choix d’une résine époxy adéquat pour garantir le bon niveau d’isolement galvanique. Un dispositif
de refroidissement des semi-conducteurs et du transformateur garantissant un isolement galvanique à 60 kV a été
étudié. Deux technologies ont été étudiées et développées, l’une basée sur l’utilisation d’un isolant céramique au
niveau du refroidissement des modules de puissance et un refroidissement par air, et l’autre basé sur un
refroidissement à circulation d’huile commun au transformateur et aux modules de puissance. L’architecture de
conversion complète fait appel à une dizaine d’étages élémentaires soit un total de 120 interrupteurs. Ainsi un
système d’alimentation haute fréquence des drivers basé sur une structure à double isolement galvanique, utilisant
des circuits magnétiques nanocristallin, a été proposé, réalisée et testé. En parallèle, une commande par Radio
Fréquence a été développée. Elle permet de transmettre les signaux de commande aux blocs élémentaires qui sont
équipés d’un récepteur Radio Fréquence.
Apport et résultats attendus
Globalement, les objectifs de ce projet ont été atteints. De nouvelles technologies, dédiées à l’électronique de
puissance haute tension embarquée, ont été proposées. Un nouveau système d’alimentation et de transmission des
signaux pour la commande des convertisseurs multicellulaires haute tension a été réalisé et validé. Pour la première
fois en Europe, des modules de puissance à base de puces SiC 10 kV ont été réalisés et mis en œuvre. Ils permettent
d’atteindre une fréquence de commutation entre 5 et 10 kHz avec de très faibles pertes. Une nouvelle technologie de
transformateur sec, isolé 60 kV, a été proposée puis réalisée. Globalement, en 25 kV/50 Hz, par rapport à une solution
classique, à transformateur fonctionnant à la fréquence du réseau et redresseur actif, la nouvelle solution proposée
apporte un gain en masse et volume de 20% tandis que le rendement au point nominal passe de 91% à 98%.
Production scientifique et brevets depuis le début du projet :
Certains résultats issus du projet ont donné lieu à 5 publications dans des conférences internationales (PCIM Europe
et IEEE SPEEDAM) et 1 publication dans une conférence nationale (EPF). 3 publications ont présenté les résultats de
caractérisation et la mise en œuvre des modules à base de puces SiC tandis que 3 publications ont concerné le
système d’alimentation isolé haute tension pour les commandes rapprochées des interrupteurs.
Avec le soutien du pôle de compétitivité « Aerospace Valley », de la SEE Midi-Pyrénées et d’ALSTOM Transport, des
journées « Traction Electrique Ferroviaire » ont été organisées les 5 et 6 Avril 2011 à Tarbes. Cela a permis notamment
de présenter à des acteurs de l’industrie ferroviaire certains résultats issus du projet et de mettre en avant les
avantages d’une nouvelle topologie de chaîne de traction électrique utilisant des transformateurs électroniques.
Dans ce projet, l’étude et le développement des transformateurs « moyenne fréquence » à isolement sec ont fait
l’objet d’un partenariat avec des sous-traitants industriels et des accords de confidentialité ont été mis en place.
Aucun résultat de ces travaux n’a été publié.
En ce qui concerne, le dispositif de refroidissement isolé haute tension et l’isolation sèche du transformateur, trois
brevets ont été déposés et quatre sont en cours d’écriture.
Réalisation : Philippe LADOUX
LAPLACE [INPT, Univ. Toulouse III]
Tel.: / Fax. :
E-mail : [email protected]
Site internet : www.laplace.univ-tlse.fr
Contact financeur : Kévin GOSSE
ANR
212, rue de Bercy – 75012 Paris
Tel : 01 78 09 80 00 / Fax :
E-mail : [email protected]
Site internet : www.predit.prd.fr