Traction Ferroviaire

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Traction ferroviaire1re partieEvolution des choix technologiques de ces 30 dernires annes Influence des composants de llectronique de puissance sur les choix technologiques Sil est un domaine la pointe du progrs dans lutilisation des technologies les plus avances, dans le domaine de llectrotechnique et de llectronique de puissance, cest bien le secteur de la traction ferroviaire. En effet, les motrices (dont les motrices lectriques) utilises par la SNCF, ont toujours intgres les dernires innovations de llectronique, de llectronique de puissance et des machines tournantes. De plus, il faut savoir, que la dure de vie dun matriel de traction dpasse les 35 ans. Ces machines parcourent allgrement les 5 millions de kilomtres avant dtre reformes. Il en dcoule des conditions de service de ce matriel relativement svres. Les machines de traction subissent un service quasi continu et doivent tre performantes et endurantes. Leur maintenance a, quant elle, non seulement un cot important financirement, mais galement un cot d son immobilisation (il faut remplacer la motrice car la SNCF narrte pas ses activs frets ou voyageurs pendant ce temps de maintenance). Il rsulte de tout cela un cahier des charges complexe, lors de la commande de nouveau matriel. Les critres les plus importants sont : - La performance (qui doit tre la plus leve possible) - Le cot de la maintenance - Une conception qui ne risque pas de tomber rapidement en dsutude - Le prix Un document de la direction du matriel de la SNCF, (le dlicat problme des choix technologiques en matire de traction) nous donne une bonne synthse sur lvolution des technologies utilises des annes 1970 1990. Nous verrons par la suite comment les gros progrs de llectronique de puissance (apparition et fiabilisation des GTO de forte puissance, puis enfin la gnralisation de IGBT) a compltement chang le paysage de llectrotechnique, et les modifications qui en ont dcoul dans le secteur de la traction ferroviaire (Eurostar, motrice dernire gnration type Prima 6000 , ou encore les projets de motorisation du futur AGV automoteur grande vitesse). I - Apparition du thyristor I-1 Introduction

La fin des annes 60 a vu la mise en service des CC6500. Ces machines (rcemment reformes en fin 2005 / dbut 2006) de forte puissance, taient architectures autour de moteurs courant continu, sans systme convertisseur base de composants dlectronique de puissance. Elles circulaient sur le rseau 1500V DC. Au dmarrage, le MCC tait coupl en srie. pleine vitesse, ctait un couplage shunt qui tait utilis. La vitesse variait, en fonction des crans de traction (41 au total), qui jouaient sur le couplage et sur une mise en srie dlments rsistifs.

Inutile de dire que le rendement, en labsence de convertisseur, tait loin dtre optimal. Ce systme, nanmoins, tait fiable et somme tout performant, vis--vis des caractristiques que lon souhaitait atteindre lpoque. Cependant, avec larriv des premiers composants (diodes et thyristors) de puissance, qui permettent de commuter des courants importants, et supportant des tensions inverses consquentes, des motrices ont t quipes, titre exprimental, de MCC pilots par des hacheurs thyristors. Ces essais ont abouti, partir de 1973, la mise en service de prototypes de forte puissance (suprieure 4 MW). Les rsultats plus de prometteurs, de ces engins exprimentaux, ont permis la SNCF de sorienter vers ce type de matriel. Ainsi, nombre de locomotives de puissance, partir de cette date, ont t quipes de hacheurs thyristors. Les formules bicourants (1.5kV DC et 25kV AC 50Hz) tant quipes, en amont du hacheur, dun ensemble transformateur + redresseur type pont mixte. On retrouve parmi les modles conus sur ce type darchitecture les BB15000 ( courant monophas), BB7200 ( courant continu), BB22200 (bi courant) , les TGV SE, les lments automoteurs, type Z8100 (interconnexion RAPT/SNCF) ou Z2N (automoteur continu ou bicourant, 2 niveaux). Avant de dtailler la structure lectrique des chanes de traction utilises et leur principe de fonctionnement, nous pouvons noter les avantages quont apport lutilisation des thyristors dans locomotive Electriques. Ainsi, selon M. DUPUY (directeur du matriel de la SNCF), dans son avant propos larticle Les locomotives lectriques BB 7200 et BB 22200 de la SNCF (crit par M. BOILEAU, ingnieur en chef la direction du matriel et chef du dpartement Constructions traction lectrique), les avances significatives apport par les thyristors portent sur les points suivants : - Sur les engins thyristors, la variation des grandeurs lectriques permettant la bonne exploitation dun train, passe principalement par une action sur les circuits lectroniques de commande de gchette, au lieu de la mise en mouvement dappareils mcaniques (graduateur, contacteur). Les quipements deviennent statiques (convertisseurs statiques). - Cela permet principalement la finesse et la continuit des rglages, la rapidit des actions et des protections, une meilleure fiabilit, une diminution des cots dentretien. - On limine les rhostats de dmarrage et de shuntage. - Un systme simplifi pour les motrices bicourants, qui avant lavnement du thyristor navaient aucun matriel commun, en amont du moteur (avec lobligation de juxtaposer 2 quipements continu & monophas en cherchant un compromis entre performance/masse/encombrement). I-2Caractristiques

Les locomotives thyristors BB15000/BB7200/BB22200

Nombre de moteur : 2 ( courant continu denviron 2.2 MW chacun) Puissance en rgime continu : 4.4 MW ( vitesse de dfinition) et 4.6 MW ( vitesse maxi) Vitesse maximale : 180 km/h Masse par essieu : 22.3 t (BB15000) ; 21.2 t (BB7200) ; 22.6t (BB22200) Caractristique effort vitesse : Cf. figure suivante

Avantages par rapport aux anciens systmes

-

rglage continu de la tension et du champs sur les moteurs de traction freinage lectrique, avec rglage continu de leffort freinage rhostatique antipatinage rapide avec modification de langle de conduction des thyristors protection ultra rapide en cas de dfaut dans les circuits de puissance pendant la traction, par blocage des thyristors

schma du circuit de puissance de la BB7200

On retrouve sur ces engins : - des hacheurs pour le rglage de la tension moteur - des thyristors de drivation pour le rglage du champ - un systme de freinage rhostatique

description

En partant du pantographe, les principaux organes sont : - un filtre HF constitu de 2 selfs air de 5 H et de deux capacits de 5 F - un disjoncteur principal ultra rapide - un filtre passe bas comprenant une inductance de 2 mH et un bloc de capacit de 8 mF - des contacteurs de ligne - 6 hacheurs lmentaires thyristors (cf. schma et principe de fonctionnement ci aprs) - un dispositif de shuntage - le systme de freinage rhostatique - 2 dispositifs de limitation de tension, composs dun thyristor en srie avec une rsistance et une inductanceschma dun hacheur lmentaire

Un hacheur lmentaire (il y en a 6, qui sont pilots une frquence de 300Hz, et qui fonctionnent de faon entrelace vue de la catnaire la frquence de lensemble est donc de 1800 Hz ou de 900 Hz quand un seul des deux moteurs tractionne) comprend : - des semi-conducteurs rapides (8 thyristors principaux et 4 dinversion supportant une tension inverse de 1200V, un courant moyen de 400A, avec un temps de recouvrement de 25s 4 thyristors dextinction, supportant eux 1400 V / 300 A avec un temps de recouvrement de 40s 6 diodes de dversement ou de roue libre, supportant 2500V en inverse, 400A avec un temps de recouvrement trs faible de 2s) - 3 selfs de limitation des di/dt (2 en srie avec les thyristors principaux et une dans le circuit dextinction)

-

une self de lissage en srie avec le moteur une self dinversion et une capacit dextinction (cf. fonctionnement ci aprs) une sonde effet Hall pour la mesure du courant

schma du circuit de freinage

schma du circuit de puissance de la BB7200

Cet engin reoit, en plus par rapport la BB7200, un transformateur principal, un redresseur principal (RM) compos en ralit de 40 diodes 2800V / 500A et la capacit (CAP FL) du filtre passe bas est port 28 mF au lieu de 8 sur la BB7200. Le reste est identique ce qui est dcrit prcdemment pour la motrice courant continu.

II - Les choix technologiques en 1984 II-1 Introduction

Lorsquil devient ncessaire de procder dimportantes commandes de matriel moteur, le problme qui se pose systmatiquement est celui darrter les choix techniques qui permettront de mettre en service un matriel qui soit :

- le plus performant possible, - dun faible cot de maintenance, - dune conception qui ne risque pas de tomber rapidement en dsutude, - dun prix le plus faible possible. Pour guider ses choix, la SNCF dispose de rsultats dexprimentation dengins prototypes, mais elle sattache reconduire chaque fois certains lments dont le comportement est dj bien matris. En lespace dune dizaine dannes, la SNCF a t amene prendre de trs importantes dcisions en matire de conception dengins moteurs et nous voquerons ci-aprs deux tapes fondamentales dans ces choix techniques. - le choix technique de 1973 qui a introduit le hacheur en traction courant continu ou bicourant mais a reconduit le moteur collecteur, - le choix technique de 1984 qui a introduit le moteur sans collecteur (synchrone et asynchrone) aliments par onduleur de courant en reconduisant lalimentation, bien connue, par hacheur (ou ponts mixtes). Les remarquables rsultats des essais des engins exprimentaux hacheurs de grande puissance dterminaient la Direction du Matriel de la SNCF adopter ce type dquipement pour Les futurs engins moteurs construire. La formule bicourant (1500 V courant continu, 25 kV 50 Hz) se dduisait immdiatement de celle courant continu, par adjonction, en tte du schma, dun ensemble transformateur redresseur (pont mixte) dlivrant une tension rgule constante aux