PDF - Thèses INP Toulouse

En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par :
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité :
Génie Électrique
Présentée et soutenue par :
M. JULIAN ANDRES SUAREZ DIAZ
le mercredi 17 décembre 2014
Titre :
Unité de recherche :
Ecole doctorale :
ETUDE ET MODELISATION DES INTERACTIONS ELECTRIQUES
ENTRE LES ENGINS ET LES INSTALLATIONS FIXES DE TRACTION
ELECTRIQUE 25kV/50Hz
Génie Electrique, Electronique, Télécommunications (GEET)
Laboratoire Plasma et conversion d'Energie (LAPLACE)
Directeur(s) de Thèse :
M. PHILIPPE LADOUX
M. NICOLAS ROUX
Rapporteurs :
M. MOHAMED MACHMOUM, UNIVERSITE DE NANTES
M. SERGE PIERFEDERICI, INP DE NANCY
Membre(s) du jury :
1
M. SERGE PIERFEDERICI, INP DE NANCY, Président
2
M. HERVÉ CARON, SNCF, Membre
2
M. NICOLAS ROUX, INP TOULOUSE, Membre
2
M. PHILIPPE LADOUX, INP TOULOUSE, Membre

I
INTRODUCTION GENERALE
Depuis un demi-siècle, le développement de la traction électrique ferroviaire en courant alternatif
monophasé en France s‟est appuyé sur les progrès réalisés aussi bien au niveau des installations fixes
de traction qu‟au niveau du matériel roulant. Toutefois, au cours des deux dernières décennies,
l‟augmentation du trafic et l‟introduction de locomotives avec des chaines de traction innovantes ont
été à l‟origine de phénomènes électriques qui se sont avérés néfastes pour l‟exploitation du réseau
ferroviaire. Les premiers phénomènes observés ont été à l‟origine de dégâts matériels à bord de
locomotives. Il s‟agissait de surtensions résultant d‟une interaction défavorable entre l‟impédance
interne de l‟infrastructure et les harmoniques générés par les engins moteurs équipés de redresseurs à
thyristors. Plus récemment, suite à l‟introduction massive d‟engins équipés de redresseurs à absorption
sinusoïdale de courant (dénommés à la SNCF « Pont Monophasé à Commutation Forcée – PMCF » ),
un phénomène de modulation très basse fréquence de la tension caténaire est apparu et a provoqué la
mise hors tension des locomotives voire la disjonction de la sous station alimentant le secteur
concerné. Ceci constitue aujourd‟hui un obstacle majeur à l‟utilisation généralisée de la nouvelle
technologie de redresseurs à IGBT à bord des engins.
Ces perturbations du circuit électrique de traction affectent l‟exploitation du système ferroviaire
en entrainant généralement des retards voire des annulations de circulation. Elles peuvent aussi
dégrader la qualité d‟énergie du réseau de transport d‟électricité amont à un niveau tel que la sous-
station d‟alimentation doit être déconnectée. La direction de l‟ingénierie de la SNCF a donc pris des
dispositions pour comprendre puis éviter l‟apparition des phénomènes observés. Une collaboration
interne entre le centre d‟ingénierie du matériel et la division des installations fixes de traction
électrique ainsi qu‟un partenariat avec le LAPLACE ont été mis en place. Le présent document est le
fruit de cette collaboration.
L‟objectif de cette thèse est d‟étudier et de modéliser les interactions entre les engins et les
installations fixes de traction électrique sur le réseau ferré français 25kV/50Hz. Ce manuscrit
comporte deux parties principales qui s‟organisent ainsi :
La première partie est consacrée à l‟étude du phénomène de modulation très basse fréquence de la
tension caténaire. Les modèles des deux principaux composants du système, à savoir l‟alimentation
électrique monophasée et l‟engin de traction à PMCF sont d‟abord présentés. Les études ainsi menées
permettent de comprendre l‟origine du phénomène, puis ensuite de développer une méthode de
caractérisation des engins permettant de retrouver les limites de stabilité dans les secteurs
problématiques du réseau ferré. Ceci nous a conduit à proposer une représentation générale des
locomotives modernes sous forme d‟une matrice admittance qu‟il est possible d‟obtenir par une
mesure directe sur des engins réels.
La deuxième partie concerne l‟étude des interactions harmoniques à l‟origine de surtensions sur la
caténaire. L‟analyse systématique du phénomène est basée sur des outils de simulation de circuits
électroniques de puissance utilisant une bibliothèque de modèles élémentaires spécifiques. La

II
première étape consiste à développer un modèle « moyenne fréquence » du réseau d‟alimentation afin
de mettre en évidence les fréquences de résonance et d‟anti résonance de l‟ensemble ligne/sous-
station. La deuxième étape consiste à modéliser les locomotives afin de prendre en compte leur
réponse harmonique. Au final, il devient possible de savoir si un engin donné va générer des
déformations de la tension caténaire en vérifiant si l‟une des composantes harmoniques du courant
absorbé coïncide avec une des résonances caractéristiques du circuit électrique de traction.
Pour compléter cette deuxième partie, une modélisation plus fine, intégrant des phénomènes
physiques qui apparaissent avec l‟augmentation de la fréquence (effet de peau dans les conducteurs
isolés ou effet de proximité entre conducteurs), est abordée. Elle s‟appuie sur la caractérisation
expérimentale en moyenne fréquence d‟un transformateur 50Hz. Les résultats obtenus nous ont
permis de vérifier l‟influence de ces phénomènes sur le comportement fréquentiel du réseau
d‟alimentation.

III
ABSTRACT
For a half a century, the increasing development of AC electrical traction railway networks in
France relied on the progress made in the infrastructure power supply an in the rolling stock. However,
over the past two decades, increased traffic and the introduction of modern locomotives were the cause
of electrical phenomena that have proven harmful to the operation of the railway network. The first
events that occurred induced serious faults on board locomotives. It was overvoltages resulting from
unfavourable interaction between the internal impedance of the infrastructure and the harmonics
generated by the electrical vehicles using thyristor controlled rectifiers. More recently, with the
massive introduction of active front-end locomotives (also called four-quadrant locomotives),
problems of low frequency oscillations and instability were observed causing power off locomotives
or disjunction of the sector sub-station. This now constitutes a major obstacle to the widespread use of
the new technology of IGBT rectifiers on board vehicles.
These disturbances of the electrical traction circuit affect the operation of the rail system
generally causing delays or traffic cancellations. They can also damage the energy quality of the
power upstream network at a level such that the supply sub-station must be disconnected. Thus, the
engineering management of the French National Railways – SNCF, has taken steps to understand and
avoid the occurrence of the observed phenomena. An internal collaboration between the Rolling Stock
Department and the Power Traction Fixtures Division was established as well as a partnership with
LAPLACE. This document is the result of this collaboration.
The objective of this thesis is to study and model the interactions between locomotives and fixed
installations for electric traction on the French rail network 25kV/50Hz. This script has two main
parts, which organized as follows:
The first part is devoted to the study of the phenomenon of very low frequency modulation of the
catenary voltage. The models of the two main components of the system, namely the single-phase
power and the active front-end locomotives are first presented. Studies conducted this way, help to
understand the origin of the phenomenon and then to develop a method to characterize the vehicle to
find the stability limits in problems sectors of the rail network. This led us to propose a general
representation of modern locomotives as an admittance matrix that can be obtained by direct
measurement on real machines.
The second part is the study of harmonic interactions causing overvoltages on the catenary.
Systematic analysis of the phenomenon is based on simulation tools of power electronics circuits using
a collection of specific elementary models. The first step consists in developing a “medium frequency”
model of the power network in order to highlight the resonance and anti-resonance frequencies of the
line/sub-station set. The second step is to model locomotives to take into account their harmonic
response. In the end, it becomes possible to know whether a particular machine will generate
deformations of the catenary voltage, by checking if any of the harmonic components of the consumed
current coincides with one of the characteristic resonances of the traction electric circuit.

IV
To complete the second part, a more detailed model is discussed incorporating physical
phenomena that occur with an increasing frequency (skin effect in the insulted conductors or
proximity effect between conductors).It is based on the experimental characterization on medium
frequency of a 50Hz transformer. This allows us to check the influence of these phenomena on the
frequency behaviour of the supply network.