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17/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour Toute reproduction sans autori

17/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur D 5 530 − 1 Composants de l’électrotechnique en traction ferroviaire par Pierre CHAPAS Senior expert (honoraire) Alstom Transport et Marc DEBRUYNE Master expert Alstom Transport 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- 1. Architecture électrotechnique du matériel roulant ....................... D 5 530 — 3 1.1 Inventaire des fonctions.............................................................................. — 3 1.2 Chaîne de traction et auxiliaires................................................................. — 3 2. Production d’énergie .............................................................................. — 3 3. Captage et protections........................................................................... — 3 3.1 Pantographe................................................................................................. — 3 3.2 Ligne de toiture............................................................................................ — 5 3.3 Frotteur ......................................................................................................... — 5 3.4 Protections ................................................................................................... — 5 4. Adaptation de la tension alternative : transformateur ................. — 7 4.1 Transformateur et selfs ............................................................................... — 7 4.2 Refroidissement........................................................................................... — 7 4.3 Transformateur à moyenne fréquence ...................................................... — 7 5. Conversion électrique............................................................................. — 7 5.1 Différents types de convertisseurs et leurs applications.......................... — 7 5.2 Évolution et structure des convertisseurs ................................................. — 8 5.3 Refroidissement........................................................................................... — 9 5.4 Appareillage électromécanique.................................................................. — 10 6. Rhéostat de freinage............................................................................... — 11 7 . Moteur de traction................................................................................... — 11 7 .1 Installation.................................................................................................... — 11 7 .2 Refroidissement........................................................................................... — 11 8. Auxiliaires .................................................................................................. — 12 8.1 Traction autonome ...................................................................................... — 12 8.2 Traction électrique ....................................................................................... — 12 9. Installation des composants................................................................. — 13 10. Conclusion ................................................................................................. — 14 Références bibliographiques ......................................................................... — 15 D 17/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE ____________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. D 5 530 − 2 © Techniques de l’Ingénieur 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, signalisa- tion [D 5 501] [D 5 510], énergie utilisée par le matériel roulant (engins de trac- tion 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 compo- sants 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’électromé- canique 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. Figure A – Évolution de l’électrotechnique ferroviaire Composants Moteur de traction Alimentation en énergie IGBT GTO Thyristor rapide Diode de silicium Diode de silicium Diode silicium Red. Hg Synchrone Asynchrone Rhéostat/couplages moteurs/graduateur Série à collecteur universel Série à collecteur dc 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 1900 1880 1920 1950 1970 1980 2000 Red. Hg redresseur à vapeur de mercure 17/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour ____________________________________________________________________________ COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur D 5 530 − 3 1. Architecture électrotechnique du matériel roulant 1.1 Inventaire des fonctions L ’étude du dimensionnement du matériel roulant [D 5 520] a permis de faire l’inventaire des fonctions qu’il doit satisfaire (ﬁgure 1). 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). Les services auxiliaires (§ 8), nécessaires à l’ensemble des autres fonctions, sont, en terme d’énergie, directement associés à la four- niture d’énergie principale. Pour les deux catégories de traction – autonome et électrique –, la chaîne de traction et les auxiliaires peu- vent 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’ins- tallation 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 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 électri- que est réalisée à partir d’un alternateur triphasé, attelé au vilebre- quin 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. L ’alternateur principal délivre une tension triphasée à fréquence et tension variables, redressée par un pont à diodes triphasé. Les schémas de puissance actuels font appel le plus générale- ment aux moteurs asynchrones alimentés par des onduleurs à IGBT . Ceux-ci sont en tous points identiques avec ceux utilisés par la trac- tion électrique [D 5 510]. (0) 3. Captage et protections 3.1 Pantographe Les engins moteurs parcourant les voies alimentées par ligne aérienne « caténaire » sont équipés d’un appareil de prise de Figure 1 – Inventaire des fonctions du matériel roulant Contrôle-commande Traction/freinage Traction Freinage dynamique Freinage mécanique Production Distribution Essieux du bogie moteur Essieux du bogie porteur Motrice Remorque/voiture Confort de la motrice Confort des passagers Production Traitement de l'énergie pour le frein Caisse/installation Freinage Auxiliaires Roulement Confort Exploitation/conduite Interface homme-machine Maintenance Figure 2 – Schémas généraux de la chaîne de traction et des auxiliaires Captage aérien Groupe électrogène Protection Auxiliaires Auxiliaires Conversion adaptation Conversion adaptation Moteur Transmission Captage au sol (métros) a traction électrique b traction autonome à transmission électrique Transformation ou 17/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour COMPOSANTS DE L’ÉLECTROTECHNIQUE EN TRACTION FERROVIAIRE ____________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. D 5 530 − 4 © Techniques de l’Ingénieur 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 effecti- vement la forme d’un losange déformable. Les fonctions dévolues au pantographe sont d’ordre électrique et mécanique. 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 dimension- nement 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 les- quelles 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 uploads/Industriel/ d5530-pdf.pdf