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