close

Enter

Log in using OpenID

D5553

embedDownload
Transports électriques urbains
Équipements de traction
par
Yves THURIN
Ingénieur de l’École Nationale Supérieure des Techniques Avancées
Inspecteur Divisionnaire à la Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP)
Service du Matériel roulant de la Direction du Réseau ferré
1.
1.1
1.2
1.3
Choix de la chaîne de traction .............................................................
Rappel historique ........................................................................................
Différents types de moteur de traction envisageables.............................
Critères de choix..........................................................................................
2.
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Technologies utilisées pour les équipements..................................
Généralités ...................................................................................................
Connexion à la ligne....................................................................................
Disjoncteur et filtre d’entrée .......................................................................
Équipement de puissance...........................................................................
Logique de commande ...............................................................................
—
—
—
—
—
—
3
3
3
3
3
5
3.
3.1
3.2
3.3
3.4
Équipements de contrôle des moteurs à courant continu...........
Évolution des équipements ........................................................................
Rappel sur les phases de fonctionnement ................................................
Hacheur à excitation série du MF 77..........................................................
Hacheur quatre quadrants ..........................................................................
—
—
—
—
—
5
5
6
7
8
4.
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
Équipements de contrôle des moteurs asynchrones.....................
Utilisation des moteurs asynchrones ........................................................
Phases de fonctionnement .........................................................................
Choix du type de convertisseur..................................................................
Mise en parallèle des moteurs ...................................................................
Onduleur de courant ...................................................................................
Onduleur de tension....................................................................................
—
—
—
—
—
—
—
12
12
12
13
13
13
15
5.
Évolution des équipements...................................................................
—
16
Pour en savoir plus ..........................................................................................
D 5 553 - 2
—
2
—
2
—
3
Doc. D 5 553
’article Transports électriques urbains fait l’objet de plusieurs articles :
— Conception du matériel roulant [D 5 551] ;
— Équipements électriques du matériel roulant [D 5 552] ;
— Équipements de traction [D 5 553] ;
— Distribution d’énergie. Automatismes de contrôle [D 5554] ;
et les sujets traités ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur
devra assez souvent se reporter aux autres articles.
D 5 553
9 - 1990
L
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
D 5 553 − 1
TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
_____________________________________________________________________________________________________
1. Choix de la chaîne de traction
1.1 Rappel historique
Pour situer les éléments qui guident le choix d’une motorisation,
il est nécessaire de faire un bref historique sur l’évolution de la
traction ferroviaire urbaine.
Dès le début de la traction électrique, le choix s’est porté sur le
moteur à courant continu, qui satisfait parfaitement aux exigences
de la traction qui sont :
— un fort couple au démarrage, pour avoir une accélération
maximale (de 0,6 à 1,3 m / s2 selon la motorisation) au démarrage
jusqu’à environ 1/3 de la vitesse maximale ;
— une réduction progressive du couple ensuite, pour atteindre
une accélération résiduelle d’environ 0,1 m / s 2 à la vitesse maximale
(80 km / h pour le métro et 120 km / h pour le réseau suburbain) ;
— un fonctionnement en marche dégradée (avarie sur un équipement, perte de la commande principale), permettant le rapatriement
du train au terminus.
La mise en œuvre du moteur à courant continu est simple, un
ensemble de contacteurs et de résistances permettant la montée
progressive en tension du moteur et le shuntage des inducteurs. Le
point faible de ce moteur est son collecteur. Sa fiabilité est
conditionnée par une parfaite réalisation et un entretien périodique
(vérification de l’usure des balais et de l’état du collecteur tous les
25 000 km et révision tous les 500 000 km).
L’utilisation des moteurs asynchrones en traction ferroviaire
remonte à 1892. Les machines étaient alimentées directement en
triphasé, à fréquence fixe, par deux pantographes adjacents, avec
le rail pour troisième conducteur. Mais les inconvénients étaient
nombreux : systèmes compliqués de distribution et de captation
du courant, centrales électriques spéciales à fréquence de 16 2/ 3 Hz,
dissipation importante dans les rhéostats, etc.
À partir de 1930 se développent des convertisseurs alimentés en
monophasé, à la fréquence de 50 Hz, et délivrant du courant triphasé
à fréquence variable à l’aide de plusieurs machines : un moteur
synchrone, un moteur à courant continu et une génératrice
asynchrone. Mais les difficultés liées à l’obtention d’une tension
triphasée d’amplitude et de fréquence variables font que ces solutions n’arrivent pas à s’imposer devant la solution à courant continu
et qu’elles sont progressivement abandonnées.
Avec l’arrivée de l’électronique de puissance dans les années
soixante-dix, les possibilités d’alimentation des moteurs s’ouvrent
sur deux grandes voies techniques :
— le hacheur de courant avec le moteur à courant continu ;
— les onduleurs avec les moteurs alternatifs.
La technologie naissante des semi-conducteurs à haute tension
impose alors la mise en série et en parallèle d’éléments de petite
puissance. Les logiques de commande réalisées avec des éléments
discrets à base d’amplificateurs opérationnels comprennent de
nombreuses cartes. Les onduleurs, plus complexes, sont réalisés
avec un volume important d’électronique de forte et de faible puissances, ce qui les rend onéreux et peu fiables. C’est pourquoi, de
1975 à 1985, hormis quelques prototypes asynchrones, la quasitotalité des matériels sortant de fabrication est équipée de moteurs
à courant continu.
Mais, avec l’arrivée, en 1982, des microprocesseurs et des
composants de puissance de nouvelle génération [thyristors rapides
de forte puissance et GTO (Gate Turn Off )], la réalisation d’onduleurs
de puissance est devenue industriellement viable.
D 5 553 − 2
1.2 Différents types de moteur
de traction envisageables
Les trois versions classiques de moteurs qui peuvent être et ont
été envisagées pour la traction électrique sont le moteur à courant
continu, le moteur asynchrone et le moteur synchrone.
Les moteurs asynchrone et synchrone permettent de s’affranchir
des collecteurs tournants, dont la réalisation et l’entretien sont
délicats. Les bagues d’amenée de courant d’excitation du rotor du
moteur synchrone ne sont pas considérées comme une source de
complication. Par ailleurs, la contrainte de commutation limite la
vitesse périphérique du collecteur à environ 50 m / s, ce qui
correspond à une vitesse maximale du moteur continu de l’ordre
de 3 500 tr / min. Les moteurs alternatifs peuvent fonctionner à des
vitesses plus élevées que le moteur à courant continu, d’où un
domaine de fonctionnement plus étendu.
Par leur conception, les moteurs alternatifs ont des puissances
massiques et volumiques plus importantes ; les ordres de grandeur
des puissances massiques, en fonction des puissances nominales,
sont donnés par le tableau 1. Cela montre l’intérêt des moteurs
alternatifs lorsque le problème d’occupation dans les bogies est
contraignant.
(0)
Tableau 1 – Comparaison des puissances massiques
des différents moteurs
Puissance
nominale
(kW)
Moteur
à courant continu
(W / kg)
Moteur
asynchrone
(W / kg)
Moteur
synchrone
(W / kg)
250
175
270
(1)
400
190
270
(1)
1 000
340
750
650
(1) Les moteurs synchrones ne sont pas utilisés dans cette gamme de
puissance.
Un autre avantage des moteurs alternatifs réside dans la
suppression de l’inverseur de sens de marche et, dans certains cas,
du dispositif de commutation traction-freinage. Cependant, ces
matériels n’interviennent que pour le moteur à courant continu du
type série et non pour le moteur à courant continu à excitation
séparée très utilisé actuellement du fait de l’évolution des équipements de contrôle (§ 3.4).
Les moteurs alternatifs présentent les inconvénients suivants :
— nécessité d’un autopilotage pour le moteur synchrone et d’un
bouclage de vitesse pour le moteur asynchrone ;
— encombrement légèrement plus important des équipements
de puissance, du fait de leur complexité ;
— réjections harmoniques plus importantes, pouvant créer quelques problèmes vis-à-vis de la signalisation (avec certains types de
circuits de voie) ; elles nécessitent la mise en place de dispositifs
de protection qui augmentent la complexité des équipements.
Il apparaît actuellement que, pour les moteurs alternatifs, le
moteur asynchrone est mieux adapté au transport urbain, le moteur
synchrone étant surtout attrayant pour le domaine dit de la grande
traction.
La puissance des automotrices du type urbain ou suburbain
étant répartie sur tout le train, la solution asynchrone est plus
économique à double titre :
— plusieurs moteurs peuvent être commandés en parallèle,
alors que la solution synchrone nécessite un onduleur par moteur ;
— le moteur synchrone étant plus complexe à réaliser, son coût
d’acquisition est plus important.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
_____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
1.3 Critères de choix
2.2 Connexion à la ligne
Des critères techniques, financiers et politiques conduisent les
décideurs à prendre une option adaptée à chaque réseau.
Un ensemble de fusibles rapides à haute tension, situé au plus
près du captage, assure la protection du câblage en cas d’amorçage
à la masse.
La commutation de l’alimentation pour les besoins de maintenance est assurée par un commutateur frotteur-prise, rupteur motorisé à quatre positions : frotteur, prise trolley, prise pour auxiliaires
(fourniture d’air et basse tension), hors service.
Précisons l’influence des principaux critères sur les deux technologies en compétition :
— les moteurs à courant continu à excitation séparée, alimentés
par hacheurs de courant ;
— les moteurs asynchrones, alimentés par onduleurs de
tension.
■ Critères techniques
— Les performances offertes sont en faveur de la solution
asynchrone, dont la puissance volumique du moteur est supérieure.
— La disponibilité (article Équipements électriques du matériel
roulant [D 5 552]) et le caractère éprouvé sont actuellement en faveur
de la chaîne de traction à moteur à courant continu, ce qui ne sera
plus le cas dans quelques années lorsque les technologies de la
chaîne de traction à moteur asynchrone auront atteint leur maturité.
— La maintenance (article Maintenabilité. Maintenance [T 4 305]
dans le traité L’entreprise industrielle) des moteurs asynchrones est
plus réduite et celle des équipements équivalente.
— Les niveaux de confort et de silence sont équivalents.
— Le rendement énergétique total de la chaîne continue est
supérieur.
— La cohabitation avec les autres systèmes est plus délicate pour
les équipements asynchrones dont le taux de réjections harmoniques est plus important.
■ Critères financiers
— Le coût du premier investissement est peut-être plus important
pour la chaîne asynchrone, le moindre coût des moteurs de traction
ne compensant pas toujours le surcoût des équipements.
— Le coût de maintenance est plus réduit pour les moteurs
asynchrones.
— Les durées de vie sont du même ordre pour les deux solutions ;
le problème de l’obsolescence peut se poser pour le moteur à courant
continu dont la fabrication nécessite un savoir-faire qui peut
disparaître si les fabrications se réduisent.
■ Critères politiques
Le
—
—
—
—
choix dépend notamment :
des fabrications de l’industrie locale ;
des intérêts industriels de ceux qui assurent le financement ;
du caractère de modernité de la fourniture ;
de la technicité du personnel de maintenance.
2.3 Disjoncteur et filtre d’entrée
2.3.1 Disjoncteur
Il est destiné à protéger l’équipement de puissance et à isoler de
la ligne, rapidement et en toute sécurité, l’équipement (non-traction
en freinage d’urgence et non-régénération sur une ligne hors
tension) ; il est caractérisé par un temps d’intervention très court
( 5 ms ), un pouvoir de coupure élevé (25 kA) avec une constante
de temps L / R = 10 ms (L et R étant respectivement l’inductance et
la résistance de la ligne HT) et une tension d’isolement de 3 k V en
750 V (courant continu) et 8 k V en 1 500 V (courant continu).
Deux types de disjoncteurs sont utilisés :
— les disjoncteurs électromécaniques, où une bobine assure la
fermeture par suralimentation et le maintien ;
— les disjoncteurs électropneumatiques, où un vérin pneumatique assure la fermeture et une bobine le maintien.
La coupure rapide est obtenue grâce à un ressort puissant, libéré
par une commande externe, ou interne pour certains disjoncteurs,
en cas de surintensité. Pour réduire ce temps d’ouverture, la
démagnétisation de la bobine de maintien est accélérée à l’aide d’un
circuit électrique spécifique. Le soufflage de l’arc dans la cheminée
est rendu plus efficace en allongeant l’arc avec un champ magnétique généré par une bobine.
2.3.2 Filtre d’entrée
Les inductances à air, de forte valeur (≈ 3 mH), sont réalisées par
bobinage d’un feuillard d’aluminium et d’un film isolant à base de
mica autour d’un cylindre en bakélite, puis imprégnées sous vide.
Lorsqu’un encombrement réduit est nécessaire, elles sont refroidies
par ventilation forcée. L’ensemble complet pèse environ 450 kg.
Les condensateurs de filtre d’entrée, réalisés à partir de plusieurs
éléments mis en parallèle, sont au papier imprégné à l’huile
minérale.
2. Technologies utilisées
pour les équipements
2.4 Équipement de puissance
2.1 Généralités
2.4.1 Type des semi-conducteurs de puissance
Les composants utilisés, spécifiques ou non à cette branche de
l’industrie, répondent tous à des normes de qualité et de fiabilité.
La fiabilité des équipements de traction intervient pour environ
40 % dans la disponibilité du matériel et donc dans la qualité de
service offerte aux voyageurs.
Les technologies employées, précisées ci-après, sont le mêmes
pour les chaînes continue et alternative, mais sont plus particulièrement développées pour les alimentations à haute tension en courant
continu 750 V ou 1 500 V ; en l’espace de 15 ans, elles ont
considérablement évolué en puissance volumique et en fiabilité.
Ils sont du type press-pack, dont la dimension des pastilles de
silicium varie de 35 à 75 mm. Ils sont montés sur les radiateurs avec
une force de serrage de 1 000 à 4 500 daN.
2.4.2 Refroidissement des semi-conducteurs
Il était initialement réalisé par ventilation forcée, les éléments étant
pressés entre deux dissipateurs constitués par des profilés munis
d’ailettes en aluminium (figure 1). Cette solution, simple de mise en
œuvre, imposait un nettoyage fréquent des coffres.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
D 5 553 − 3
TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
_____________________________________________________________________________________________________
■ Un deuxième procédé, développé par la société Alsthom à la fin
des années soixante-dix, consiste à immerger les semi-conducteurs
dans un liquide caloporteur isolant du type Fréon (figure 2). Un
ensemble de semi-conducteurs pressés et connectés électriquement sur un support commun est placé dans une cuve hermétique
munie d’ailettes. L’évaporation et la condensation sur les parois du
liquide assurent le transfert de l’énergie thermique. Le refroidissement de la cuve se fait généralement en convection naturelle. Les
avantages de ce mode de refroidissement sont la mise hors poussière et l’optimisation de la surface de refroidissement (le fluide réalisant une moyenne des échauffements des semi-conducteurs). Son
inconvénient réside dans les contraintes d’intervention en cas de
défaillance d’un composant : dépose en atelier de la cuve et ouverture en salle grise (air filtré et contrôle d’humidité).
2.4.5 Capteurs de mesure
Pour les mesures de courant, ils sont à effet Hall pour garantir
un isolement élevé.
■ Le procédé le plus récent, développé également par la société
Alsthom, réunit les avantages des deux technologies précédentes :
éléments actifs hors poussière et maintenabilité élevée.
Le panneau SMF (système modulaire à refroidissement par Fréon)
est constitué (figures 3 et 4) d’un socle où sont pressés les semiconducteurs et d’un panneau radiateur formant l’extérieur du coffre.
Le fluide caloporteur circule du socle au radiateur en circuit fermé.
L’isolement entre les deux parties est réalisé par des tubes isolants.
Ce système permet d’enlever des semiconducteurs sans intervention
sur le circuit de refroidissement. Il présente les avantages des deux
précédentes technologies.
Figure 3 – Panneau SMF (système modulaire à refroidissement
par Fréon) du matériel d’interconnexion MI 84 B
réalisé par la société Alsthom (doc. GEC Alsthom)
2.4.3 Câblage
Les connexions de puissance sont réalisées au moyen soit de
barres montées sur isolateurs, soit de câbles.
2.4.4 Inductances et condensateurs auxiliaires
■ Les inductances auxiliaires, assurant notamment la commutation
et les limitations en di / dt , sont à air. Elles peuvent être toriques et
avoir des fixations filtrantes pour limiter le bruit émis.
■ Les condensateurs auxiliaires sont au papier imprégné à l’huile.
Figure 1 – Semi-conducteurs du type press-pack de 50 et 75 mm
dans leur radiateur (doc. GEC Alsthom)
Figure 4 – Panneau SMF (système modulaire à refroidissement
par Fréon) : principe de fonctionnement
Figure 2 – Cuve à refroidissement par Fréon
d’une locomotive synchrone bicourant
réalisée par la société Alsthom (doc. GEC Alsthom)
D 5 553 − 4
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
_____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
Les mesures de tension sont effectuées soit avec des ponts
résistifs, soit avec des capteurs à effet Hall lorsqu’un isolement
galvanique est demandé.
2.5 Logique de commande
Les informations ainsi stockées permettent, après analyse, de
diagnostiquer les pannes fugitives.
2.5.2 Inconvénients de la logique
à microprocesseur
Ce sont les suivants.
Les logiques de commande, réalisées jusqu’en 1984 en circuits
discrets à base d’amplificateurs opérationnels et de transistors, sont
depuis lors à microprocesseur.
2.5.1 Avantages de la logique à microprocesseur
Cette technologie présente les avantages ci-après.
■ Encombrement moindre (de 40 à 50 %) : contrairement à la
technologie discrète, le volume d’électronique n’est pas directement
proportionnel à la complexité. Il est plus lié au nombre d’entréessorties qu’à la quantité de mémoire nécessaire à la réalisation des
commandes. En revanche, afin d’avoir une très grande immunité au
bruit, la partie alimentation et les isolements sont plus importants.
■ Standardisation avec une grande souplesse d’évolution : à
chaque matériel correspond une commande spécifique. La logique
à microprocesseur, d’un développement plus onéreux que celle à
circuits discrets, peut être utilisée, moyennant une adaptation du
logiciel, sur des matériels et des équipements très différents :
— la logique à microprocesseur du MF 77 (article Conception du
matériel roulant [D 5 551]) est également utilisée sur les locomotives SNCF (BB 7411 à BB 7430 et prototype BB 7220) ;
— les logiques du hacheur à thyristors du MI 84, du hacheur à
GTO du MI 84B et de l’équipement asynchrone prototype du MF 77
sont sensiblement identiques.
■ Fiabilité plus importante : les logiques à microprocesseur
sont très fiables :
— d’une part, les composants utilisés dans le domaine ferroviaire
sont sélectionnés en fiabilité ( classe G donnée par la norme
NF C 96-883 en gamme de température étendue : – 65 oC à + 155 oC )
et des précautions de mise en œuvre sont prises (taux de charge,
connectique, etc.) ;
— d’autre part, le traitement de l’information étant numérique, les
pannes fugitives liées aux dérives de composants sont considérablement réduites.
■ Intégration de nouvelles fonctions : par sa capacité à traiter
l’information, à stocker cette dernière dans une mémoire qui peut
être très importante et à communiquer avec d’autres systèmes, la
logique à microprocesseur permet d’obtenir naturellement des
fonctions nouvelles ou des fonctions qui étaient précédemment trop
onéreuses. Certaines fonctions ont été intégrées dès le développement des premières logiques, comme l’aide à la maintenance sous
diverses formes développées ci-après, la transmission d’informations vers le sol et la fonction anti-enrayage à glissement contrôlé.
D’autres sont en développement pour les futurs matériels : aide au
dépannage (système expert), reconfiguration automatique et
partage de ressources.
Trois types d’aide à la maintenance sont actuellement intégrés :
— l’autotest, à la mise sous tension, teste le fonctionnement du
calculateur (carte microprocesseur et cartes périphériques) et la
validité des chaînes d’information, des capteurs de mesure aux
commandes logiques et analogiques de sortie ;
— l’essai à blanc teste séquentiellement le circuit de puissance
et localise le composant avarié (ou le groupe de composants
lorsqu’ils sont indissociables) ;
— l’enregistrement d’événements réalise à chaque disjonction de
l’équipement une mémorisation non volatile de l’état de l’équipement et de son environnement (vitesse, tension de la ligne, etc.).
■ Coût légèrement supérieur : ce coût est lié aux précautions de
réalisation prises pour un fonctionnement en environnement hostile
(les quelques microampères correspondant aux informations
entrant et sortant sous quelques volts du microprocesseur sont à
une trentaine de centimètres des semi-conducteurs commutant
jusqu’à 1 000 A sous 1 500 V).
■ Moyens de maintenance différents : pour la maintenance du
matériel, les systèmes d’aide à la maintenance permettent un
allégement des opérations de 1er niveau (localisation de l’avarie et
échange standard du sous-ensemble), mais des moyens de test plus
sophistiqués sont nécessaires pour le dépannage de 2e niveau (test
du sous-ensemble et échange de la carte avariée) et de 3e niveau
(localisation et échange du composant en panne).
La maintenance des logiciels, actuellement en assembleur (≈ 51 ko
se répartissant en 22 ko pour le fonctionnel de commande, 29 ko
pour la partie aide à la maintenance), nécessite, pour l’analyse et
le test global, l’intervention d’un spécialiste de la traction
informaticien.
■ Obsolescence des composants : le remplacement des
composants de microinformatique se pose de façon plus aiguë que
celui des composants discrets. Aux coûts matériels viennent
s’ajouter les coûts de développement des logiciels. Le passage aux
langages évolués, quand la puissance des calculateurs le permettra,
limitera en partie ces coûts.
3. Équipements de contrôle
des moteurs à courant
continu
3.1 Évolution des équipements
Le système de commande et de contrôle des moteurs continus
du matériel roulant n’a connu, en 90 ans, que deux évolutions
techniques importantes [la mise en œuvre des hacheurs quatre
quadrants (§ 3.4) ne représentant qu’une évolution technologique] :
— en 1950, le passage d’une technique à contacteurs à celle, plus
séquentielle, d’un contrôleur à cames avec cylindre
d’asservissement ;
— en 1975, l’adoption par la RATP des hacheurs pour les matériels
MF 77 et MI 79 (article Conception du matériel roulant [D 5 551]).
Les motivations qui poussèrent la RATP à changer de technologie
furent autant politiques que techniques. À cette époque, bien que
le coût d’acquisition fût élevé et que cette technologie naissante
rendît incertaine la fiabilité, les avantages techniques apparaissaient
comme suffisamment porteurs de progrès sur le plan du confort et
de l’évolution fonctionnelle des matériels pour étayer le choix.
Rappelons les principaux avantages des hacheurs :
— les performances sont plus élevées pour une même sollicitation
de l’adhérence ; la figure 5 montre les différences de sollicitation
pour des performances identiques ;
— les constantes de temps sont très faibles (6 à 10 s environ
étaient nécessaires pour réduire à zéro le courant maximal de
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
D 5 553 − 5
TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
_____________________________________________________________________________________________________
traction avec les systèmes à cames ; avec les équipements à semiconducteurs, ce temps est inférieur à la seconde) ; elles permettent
des variations rapides des efforts ; cette caractéristique est
particulièrement intéressante pour les réseaux urbains où les trains
passent continuellement de la traction au freinage ;
— le freinage est à récupération ; ce freinage efficace permet
une économie d’énergie importante (≈ 40 %) et donc une limitation
des échauffements en tunnel ;
— le confort est accru par le contrôle de l’accélération et de la
dérivée de l’accélération (jerk ) ;
— il y a limitation des courants appelés lors du démarrage ;
— l’entretien périodique est réduit.
De nombreux hacheurs ont été développés à travers le monde
avec, dans la plupart des cas, des schémas fort différents. Nous nous
limiterons dans cet article à mettre en évidence l’évolution des
techniques. Pour ce faire, nous examinerons l’évolution des
systèmes à hacheurs classiques en prenant comme référence le
MF 77 et le système à hacheur de troisième génération actuellement
en service sur le matériel d’interconnexion RATP / SNCF MI 84B. Le
fonctionnement général des hacheurs ayant été exposé dans l’article
Conversion continue. Hacheurs [D 5 502] du présent traité, seules les
particularités de fonctionnement des différents schémas seront
explicitées.
3.2 Rappel sur les phases
de fonctionnement
3.2.1 Mise sous tension de l’équipement
Quand le système de propulsion est activé, l’équipement est
connecté à la ligne par l’intermédiaire du circuit de précharge du
filtre. Le disjoncteur ultra-rapide assure, outre la connexion, la
protection de l’équipement.
La précharge du condensateur de filtrage peut être soit série, soit
parallèle (figure 6). La précharge série garantit un meilleur isolement
de l’équipement qui ne repose que sur le disjoncteur principal. Avec
une précharge parallèle, le contacteur de précharge est dimensionné
uniquement en tension ; le courant maximal est, dans ce cas, 100 fois
plus faible.
Figure 5 – Comparaison des fonctionnements des équipements
à contacteurs et à hacheurs
3.2.2 Fonctionnement en traction
Les évolutions des différents paramètres sont représentées sur
la figure 7. La traction se décompose en :
— montée en accélération ➀ ;
— démarrage ➁ ;
— fonctionnement à puissance constante ➂ ;
— fonctionnement en caractéristiques naturelles ➃ ;
— fonctionnement à puissance réduite (figure 5b).
■ Montée en accélération : pour le confort des voyageurs, le jerk
est contrôlé. Il varie de 0,5 à 1,2 m /s 2 selon les réseaux et est fixé à
0,6 m / s 2 à la RATP.
■ Démarrage : lors du démarrage, pour dégager au plus vite la
station, les motrices doivent fournir un effort maximal, compatible
avec une sollicitation de l’adhérence et un confort des voyageurs
acceptables. La limitation d’accélération pour le confort des
voyageurs (≈ 1,3 m / s 2 ) n’intervient que pour les matériels à roulement sur pneumatiques. Il est, en outre, nécessaire pour les besoins
de la régulation des trains de maintenir une accélération sensiblement constante pour les charges normales d’exploitation (train vide
jusqu’à la charge nominale, correspondant, pour la RATP, à une
densité de 4 voyageurs au mètre carré).
● Fonctionnement normal pour les charges supérieures ou égales
à la charge nominale : les régulations agissent pour maintenir un
courant induit constant et, par conséquent, un couple moteur
D 5 553 − 6
Figure 6 – Types de précharge des filtres
constant, en augmentant progressivement la tension aux bornes de
l’induit, au fur et à mesure que la force contre-électromotrice croît
avec la vitesse.
● Fonctionnement normal pour les charges inférieures à la
charge nominale : il existe deux types de régulation :
— soit une limitation directe du courant maximal en fonction de
la charge ;
— soit un démarrage à accélération sensiblement constante en
imposant la montée en tension du moteur en un temps minimal
fixé ; cette dernière régulation, prenant en compte l’ensemble du
train, a l’avantage de compenser automatiquement la perte d’effort
en cas de défaillance d’un équipement.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
_____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
● Fonctionnement en surcouple en situation dégradée (perte
d’une partie de la motorisation) : un courant induit supérieur de 10
à 20 % est autorisé de 0 à environ 15 km / h.
■ Fonctionnement à puissance constante : lorsque la tension
maximale applicable au moteur est atteinte, le courant induit et la
force contre-électromotrice sont maintenus constants par réduction
progressive du champ magnétique inducteur. Le couple moteur
décroît en 1 / v (v étant la vitesse du train).
■ Fonctionnement en caractéristiques naturelles : le champ
minimal compatible avec le bon fonctionnement du moteur étant
atteint (risque de flash), le courant induit décroît au fur et à mesure
que la force contre-électromotrice croît. Le couple moteur décroît
selon les caractéristiques naturelles du moteur.
■ Fonctionnement à puissance réduite : lorsque la consigne
demande un couple inférieur au couple maximal possible (pour un
fonctionnement à vitesse constante par exemple), les régulations
agissent, pour avoir une réduction progressive du courant induit,
dans un premier temps par une augmentation du champ, et dans un
second temps par une réduction du taux d’ouverture du hacheur.
L’ensemble des caractéristiques du moteur peut être ainsi atteint. La
plage de fonctionnement correspond à la surface hachurée de la
figure 5b.
3.2.3 Fonctionnement en freinage
Les équipements à hacheur permettent la réalisation d’un freinage
électrique à récupération très efficace (40 % environ de l’énergie peut
être récupérée). La plupart des matériels en sont donc équipés.
Certains matériels disposent, en plus, d’un frein rhéostatique
intervenant lorsque la réceptivité de la ligne est insuffisante. La
régulation du frein rhéostatique n’interfère pas dans la régulation
de freinage décrite ci-après.
Les évolutions des différents paramètres sont représentées sur
la figure 8.
Le freinage se décompose en plusieurs phases.
■ Amorçage : la tension du moteur devant fonctionner en génératrice est progressivement augmentée pour permettre le freinage.
En excitation séparée, la maîtrise du flux permet un contrôle
simple de la génératrice.
En excitation série, cette phase de fonctionnement est plus
délicate : après avoir commuté le circuit de puissance, la génératrice
est amorcée à partir du flux rémanent par la mise en court-circuit
de l’induit et de l’inducteur. Cet amorçage se fait sans apport
d’énergie sur un circuit résistif avec un seuil de tension de quelques
volts dû aux semi-conducteurs de puissance (diodes et thyristors).
L’amorçage se pratique dès la fin de la traction.
■ Fonctionnement en caractéristiques naturelles et à puissance réduite : la tension génératrice est à sa valeur maximale. Le
champ étant minimal, le courant moteur est progressivement
augmenté jusqu’à obtention de la tension désirée. Lorsque le courant
maximal est atteint, l’augmentation du champ permet de maintenir
la tension constante. En excitation séparée, cette dernière peut être
supérieure à la tension de ligne. En excitation série, elle est toujours
inférieure, pour garantir la stabilité de la génératrice. La différence de
tension est appelée tension de garde.
■ Fonctionnement en élévateur de tension : la tension de la
génératrice est insuffisante pour permettre la régénération directe ;
le hacheur fonctionne en élévateur de tension.
■ Inhibition à basse vitesse : à basse vitesse, pour éviter une
perte momentanée du freinage, le couple électrique de freinage est
progressivement réduit et le couple mécanique lui est substitué ;
cette régression se fait généralement entre 15 et 5 km / h.
3.3 Hacheur à excitation série du MF 77
Les symboles utilisés sur les figures 9 et 10 sont donnés dans le
tableau 2.
3.3.1 Hacheur de première génération
Figure 7 – Évolution des paramètres en traction
Conçu en 1975, le hacheur de première génération comporte deux
phases contrôlant chacune un moteur à courant continu type MF 5
d’une puissance de 265 kW (figure 9). La fréquence élémentaire est
de 300 Hz. L’entrelacement des phases permet d’avoir une fréquence
vue de la ligne de 600 Hz (fréquence peu perturbante).
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
D 5 553 − 7
TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
_____________________________________________________________________________________________________
est à base de transistors et d’amplificateurs opérationnels. Certaines
fonctions de sécurité sont réalisées à base d’amplificateurs
magnétiques.
3.3.2 Hacheur de deuxième génération
En 1980, dans le but de rendre plus fiables et plus économiques
les futurs équipements de traction, un nouvel équipement a été
développé à partir des technologies les plus récentes de l’époque :
thyristors de forte puissance et logique à microprocesseur (les
GTO n’étaient pas encore disponibles).
L’équipement (figure 10) fonctionne en traction et en freinage
selon le même principe. Il ne comporte plus qu’une phase pour les
deux moteurs. L’adoption d’un schéma de type parallèle permet un
dimensionnement réduit du contacteur de précharge du filtre (15 A
au lieu de 1 050 A). Le nombre de semiconducteurs du hacheur
principal est très fortement réduit (6 au lieu de 16 précédemment).
La commande des contacteurs de shuntage associée à la
régulation du courant par la logique à microprocesseur permet une
simplification du schéma tout en conservant la qualité de shuntage
continu. Le pont traction-freinage statique est conservé.
Les semi-conducteurs utilisés sont élaborés à partir de tranches
de silicium de diamètre 68 à 75 mm. Leur tension maximale de
fonctionnement est de 2 800 V. La ventilation forcée est conservée.
La logique de commande à microprocesseur intègre un système
d’aide à la maintenance (§ 2.5.1) : un autotest de la logique et du
circuit de puissance permet de localiser la carte électronique ou
l’élément de puissance défectueux ; une mémorisation d’événements en cas d’avarie prend en compte les pannes fugitives. Le
système anti-enrayeur et anti-patineur est intégré à la logique avec
des performances accrues.
L’ensemble des évolutions a permis les réductions suivantes :
— la masse (de 2 310 à 1 795 kg) ....................................... : 22 %
— le volume (de 5 425 à 3 842 dm3) .................................. : 29 %
— la surface d’emprise (de 845 à 729 dm2) ...................... : 14 %
— le coût ................................................................: environ 30 %
3.4 Hacheur quatre quadrants
3.4.1 Avantages de ce hacheur
Figure 8 – Évolution des paramètres en freinage
Le freinage électrique est uniquement à récupération avec
excitation série de la génératrice. Le pont traction-freinage, le
préamorçage de la génératrice dès la fin de la traction et le
fonctionnement du hacheur élévateur de tension rendent ce freinage particulièrement efficace. En exploitation, sur la longueur
totale d’une ligne de métro, le taux de régénération (énergie restituée-énergie absorbée) est compris entre 40 et 49 %.
Les semi-conducteurs utilisés sont élaborés à partir de tranches
de silicium de diamètre 35 à 50 mm. Leur tension maximale de
fonctionnement est de 1 200 V, ce qui, compte tenu de la tension
d’alimentation de la ligne de 750 V, conduit à les apparier. Leur
refroidissement est à ventilation forcée. La logique de commande
D 5 553 − 8
Le hacheur quatre quadrants est actuellement développé, à partir
des nouveaux composants de puissance que sont les GTO (articles
Composants semi-conducteurs de puissance [D 3 100] [D 3 110] et
Électronique de puissance. Commande des composants actifs
[D 3 120] dans ce traité), par les grandes firmes de construction
électrique ferroviaire ; on peut citer la société Mitsubishi qui, la
première, a développé cette technologie et la société Alsthom qui
fournit ce type de hacheur pour les systèmes VAL (Lille), MAGGALY
(Lyon) et MI 84B (Paris).
Le grand avantage de ce type de schéma est de séparer la
commande du champ de celle du courant induit, ce qui permet de
supprimer les différents couplages pour le sens de rotation des
moteurs et pour le fonctionnement en moteur ou en génératrice, et
permet également d’avoir de meilleures performances en freinage.
Avant l’arrivée des GTO, cette technique, bien que tout à fait
réalisable, n’était économiquement pas viable. En effet, la
commande d’un moteur à excitation séparée d’une puissance
d’environ 150 kW aurait nécessité, pour alimenter les inducteurs, la
mise en œuvre d’un convertisseur de puissance de l’ordre de 10 kW,
ce qui, avec les techniques antérieures, était d’un coût prohibitif. En
outre, la régulation du courant d’excitation aurait dû être très fine
pour garder la stabilité du moteur, rendant ainsi la commande plus
complexe.
(0)
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
_____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
Tableau 2 – Symboles des schémas des systèmes hacheurs
Appareils électromécaniques
DJ TR
DJ M
C DC FL
C PC FL
C SH1 (2)
J MR
M
M1, M2
disjoncteur traction
disjoncteur moteur
contacteur de décharge rapide du filtre
contacteur de précharge du filtre
contacteurs de shuntage de l’inducteur moteur 1 (2)
inverseur du sens de marche
moteurs
moteur 1, moteur 2
Inductances et condensateurs
LF
LM
L AX IV
L AX RT
CA FL
CA AE
R
R1
RC
inductance de filtre de ligne
inductance des moteurs
inductance auxiliaire d’inversion
inductance auxiliaire de retour
condensateur de filtre ligne
condensateur d’arrêt
résistance de décharge du filtre
résistance de décharge rapide
résistance de charge du condensateur d’arrêt
Hacheur du courant
TY MR
TY AE
TY IV
TY RT
DRL
thyristor de marche
thyristor d’arrêt
thyristor d’inversion
thyristor de retour
diode de roue libre
Pont traction freinage
TY TR M
TY FR M
D TR M
D FR M
thyristor traction moteur
thyristor freinage moteur
diode traction moteur
diode freinage moteur
Shuntage (première génération)
TY SH TR
TY SH FR
D SH TR
D SH FR
thyristor de shuntage traction
thyristor de shuntage freinage
diode de shuntage traction
diode de shuntage freinage
Figure 9 – Hacheur de première génération du matériel MF 77 : schéma
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
D 5 553 − 9
TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
_____________________________________________________________________________________________________
3.4.2 Structure et fonctionnement
Les phases de conduction du GTO et de roue libre ou de récupération en traction et en freinage sont représentées sur la figure 12.
Selon la tension et selon le niveau souhaité lors de l’avarie d’un
équipement (isolement d’un bogie ou d’une motrice), le schéma
diffère. Les équipements se composent de la connexion à la ligne
(filtre LC ), du hacheur principal et du hacheur d’excitation
(figure 11).
■ Le hacheur d’excitation fonctionne également à fréquence fixe.
Les phases de conduction et de roue libre sont représentées sur la
figure 13. Le pont complet assure la commutation traction-freinage
et la sélection du sens de marche. En marche avant, les GTO 1 et
GTO 4 fonctionnent en traction et les GTO 2 et GTO 3 en freinage. En
marche arrière, le fonctionnement est inversé.
La phase de roue libre peut être réalisée soit par conduction du
GTO 4 (régulation Mitsubishi), soit par blocage du pont et retour
du courant sur la ligne à travers une diode mise en parallèle sur
l’inductance du filtre (régulation Alsthom).
■ Le hacheur principal réalise le contrôle du courant d’induit à
fréquence fixe en faisant varier le taux d’ouverture de 0,02 à environ
0,92 ; cette dernière valeur est fixée par le temps de blocage minimal du GTO (de l’ordre de 100 µs) ; lorsque l’ouverture maximale est
atteinte, le hacheur passe en conduction continue.
Le changement de configuration traction-freinage est effectué par
le contacteur traction-freinage CTF qui est fermé en traction et ouvert
en freinage.
■ Éventuellement, on peut ajouter un rhéostat de freinage pour
conserver le freinage électrique quand la réceptivité de la ligne est
insuffisante. Dans ce cas, tout ou partie du courant est dérivé sur le
rhéostat par l’intermédiaire d’un GTO.
Figure 10 – Hacheur de deuxième génération du matériel MF 77 : schéma
Figure 11 – Hacheurs quatre quadrants :
schémas de principe pour une alimentation
en continu de 750 V
D 5 553 − 10
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
_____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
Figure 13 – Fonctionnement du hacheur d’excitation
quatre quadrants : en traction marche avant
ou freinage marche arrière pour une alimentation en continu de 750 V
3.4.3 Réalisations
Les premiers équipements à hacheur quatre quadrants ont été
développés au Japon en 1982.
À partir de 1986, le métro de Barcelone a mis en service 24 trains
de 4 motrices équipées de ce type de hacheur (fabrication
Mitsubishi).
En France, le VAL de Lille (à partir de 1987) et le matériel MI84B
(tableau 3) de la RATP (à partir de 1988) ont été équipés d’un hacheur
de ce type (fabrication Alsthom). Les équipements (72) du Maggali
de Lyon ont été délivrés en avril 1989.
(0)
Figure 12 – Fonctionnement du hacheur principal quatre quadrants
pour une alimentation en continu de 750 V
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
D 5 553 − 11
TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
_____________________________________________________________________________________________________
Tableau 3 – Équipement hacheur du type quatre quadrants
du MI 84B de la RATP
Moteurs
— puissance en régime continu............ : 349 kW
(1 320 tr / min)
— ventilation ............................................. : autoventilé
— vitesse maximale................................. : 3 045 tr / min
Masse .......................................................... : 2 055 kg
Équipement
■ connexion
à la ligne ........... — précharge ............................................. : parallèle
— disjoncteur ........................................... : 1 000 A
30 kA de pouvoir
de coupure
■ hacheur
principal............ — fréquence ............................................. : 300 Hz
— courant commuté................................ : 850 A
— 1 GTO (4 500 V-2 000 A) et 3 diodes sur un panneau
à fluide caloporteur du type SMF (§ 2.4)
■ hacheur
d’excitation ...... — fréquence ............................................. : 600 Hz
— courant commuté................................ : 40 A
— 8 GTO (2 500 V – 300 A) et leurs diodes sur 2 panneaux
radiants isolés
■ appareillage — logique de commande........................ : à microprocesseur
— appareillage ......................................... : électromécanique
Masse totale (hors logique) ..................... : 800 kg
Inductances
— inductance de lissage ........................ : 4,6 mH ; 850 A
— inductance de filtre............................. : 6,9 mH ; 850 A
intégrées dans le bloc transformateur
4. Équipements de contrôle
des moteurs asynchrones
4.1 Utilisation des moteurs asynchrones
avec
et R inductance de fuites et résistance ramenées au
stator,
p
nombre de paires de pôles,
∆f
= g fs = (ω s – ω m) / 2 π,
ωm
vitesse angulaire mécanique,
ωs
pulsation du stator.
Sachant qu’aux chutes de tension statoriques près :
Φ
≈ U/ ω s
3
il vient :
C ≈ (3 p · 2π / R ) Φ 2 ∆f = K Φ 2 ∆f
avec
K
constante spécifique du moteur.
4.1.2 Comportement en cas de variation de vitesse
Lorsque l’adhérence est insuffisante pour le couple demandé, les
roues motrices peuvent être l’objet d’un patinage en traction ou d’un
enrayage en freinage. Par sa caractéristique, le moteur asynchrone
a un comportement idéal dans cette situation. En effet, la zone
d’utilisation de la caractéristique permet une réduction naturelle du
couple.
En fait, il ne faut pas raisonner uniquement au niveau du moteur,
mais prendre en considération l’ensemble du système qui
comprend, en amont, l’équipement de contrôle avec ses régulations
et, en aval, le réducteur et la roue.
Pour profiter des caractéristiques naturelles du moteur
asynchrone (figure 14), il faut autoriser une certaine variation du
glissement, ce qui n’est possible que sous certaines conditions :
— avoir une régulation unique pour le groupe de moteurs ;
— réguler sur le couple nominal ou le couple maximal ;
— admettre un report de couple d’un moteur sur les autres
moteurs et donc un surdimensionnement.
Pour limiter les écarts de couple, il est nécessaire de :
— limiter le nombre de moteurs pilotés par une même
régulation (jusqu’à 4, l’optimum étant de 2) ;
— maintenir un système d’anti-patinage et d’anti-enrayage ;
— contrôler les écarts de diamètre de roue (le choix actuel de la
RATP est de 3 mm pour une roue de 850 mm).
4.1.1 Utilisation des caractéristiques
En traction ferroviaire, le moteur doit pouvoir fonctionner à toutes
les vitesses comprises entre 0 et la vitesse maximale du matériel,
et fournir un couple adapté à la demande du conducteur ou de l’automatisme de conduite.
L’utilisation d’un onduleur permet, en agissant sur la fréquence f
et la tension d’alimentation U, de fonctionner avec un faible
glissement g en contrôlant en permanence la vitesse de rotation du
moteur (figure 15).
L’asservissement des moteurs est réalisé à partir des mesures de
flux Φ et de vitesse. Dans la zone de fonctionnement à faible variation
2
de glissement, en négligeant 2 ω s g 2 devant R 2, on peut représenter le couple C par la formule simplifiée suivante (articles
Machines asynchrones. Régimes quelconques [D 3 160] et Machines
asynchrones. Régimes permanents [D 3 480]) :
U2 p g
C = --------------------ωs R
U 2 p ⋅ 2π ∆f
C = --------------------------------2
ωs R
D 5 553 − 12
4.2 Phases de fonctionnement
4.2.1 Fonctionnement en traction
■ Démarrage : les impératifs de démarrage étant les mêmes que
pour les moteurs à courant continu (§ 3.2.2), nous avons, en traction
asynchrone, des régulations identiques.
En ce qui concerne la commande directe des moteurs (figure 15),
on obtient le fonctionnement à couple constant en maintenant le
flux constant. Le courant statorique est constant. La tension du
moteur et la fréquence croissent avec la vitesse.
■ Fonctionnement à puissance constante : dans cette phase,
comme pour le moteur à courant continu, le moteur est maintenu à
sa puissance maximale, sa tension ayant atteint sa valeur nominale.
Le flux statorique se réduit progressivement en raison inverse de la
vitesse. Le courant statorique et le glissement restent sensiblement
constants.
■ Fonctionnement à puissance réduite : de même que pour les
hacheurs, les onduleurs peuvent fonctionner dans toute l’aire délimitée par les caractéristiques maximales.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
_____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
4.3 Choix du type de convertisseur
Il existe deux types de réalisation pour les équipements
asynchrones : l’onduleur de tension et l’onduleur de courant.
L’onduleur de courant impose une tension d’entrée continue
variable pour réaliser, au démarrage, la condition
U / f = Cte
L’onduleur est donc précédé d’un hacheur de courant délivrant
une tension intermédiaire variable.
L’onduleur de tension est directement connecté au filtre d’entrée.
En revanche, l’extinction des différentes branches est forcée et la
commande est plus complexe.
On peut argumenter sur les avantages respectifs des différents
schémas, mais le critère de base reste, à performances sensiblement
équivalentes, le coût. Ce dernier est étroitement lié à la technologie
et certains choix peuvent être remis en question avec l’évolution de
celle-ci. Avant l’arrivée des GTO et des logiques à microprocesseur,
la technique de l’onduleur de tension, prometteuse dans son
principe, s’avérait économiquement peu viable bien que tout à fait
réalisable. La RATP a testé et mis en service dès 1982 une motrice
prototype du type MF 67.
Figure 14 – Caractéristique réelle du moteur asynchrone
de la motrice prototype RATP M10 024, type MF 67
Le convertisseur à onduleur de tension est encore limité par la
puissance et la tenue en tension des GTO, mais son application
s’étend progressivement à toute la gamme de puissance.
Les onduleurs de courant sont actuellement bien adaptés aux
matériels RER bicourant alimentés en 1 500 V (courant
continu) /25 000 V (courant alternatif) mais ne donnent plus lieu à
développement.
4.4 Mise en parallèle des moteurs
Comme nous l’avons vu au paragraphe 4.1.2, la réalisation du
réseau triphasé de puissance alimentant les moteurs représente une
part très importante du coût de la chaîne de traction. On souhaite
donc, dans la limite des puissances admissibles, limiter cette
fourniture en alimentant plusieurs moteurs en parallèle. Les moteurs
ainsi couplés sont liés entre eux, d’une part, par la fréquence
d’alimentation et, d’autre part, par la voie. Toute variation de la
vitesse d’un essieu du fait d’une différence de diamètre de roue ou
d’adhérence agit directement sur le glissement, et donc sur le couple.
Cela a pour conséquence un déséquilibre des efforts entre les
moteurs qu’il est nécessaire de limiter. La mise en parallèle de
moteurs impose donc de garder des tolérances serrées sur les
diamètres de roue (§ 4.1.2) et une détection de patinage pour chaque
moteur afin d’éviter une surcharge trop importante. Il faut tenir
compte dans le dimensionnement des moteurs de ces variations de
couple.
Il est évident que plus le nombre de moteurs en parallèle est
important, plus les contraintes d’exploitation sont fortes. La mise
en parallèle de deux moteurs d’un même bogie semble être un bon
compromis. Cette solution, testée sur une motrice prototype du
type MF 77 de la RATP en 1984, est tout à fait satisfaisante.
Figure 15 – Fonctionnement du moteur asynchrone en traction
4.2.2 Fonctionnement en freinage
4.5 Onduleur de courant
Le passage de la traction au freinage se fait uniquement par
contrôle de la fréquence statorique sans qu’il soit nécessaire de
modifier le schéma de puissance (figure 14). Pour que l’amorçage
en génératrice asynchrone soit possible, il est nécessaire que le
flux soit conservé. Cela conduit à passer directement de la traction
à un freinage très faible correspondant au courant magnétisant de
la génératrice. Le contrôle du couple est similaire à celui qui existe
en traction.
Nous ne ferons ici qu’un rappel, le fonctionnement détaillé étant
décrit dans les articles spécifiques de la rubrique Électronique de
puissance du présent traité. Le principe réside dans le transfert
successif du courant dans les différentes phases R, S, T de l’induit
du moteur asynchrone. L’onduleur, représenté schématiquement sur
la figure 16, est alimenté par une source de courant continu U . Les
différents interrupteurs, réalisés avec des thyristors, sont actionnés
séquentiellement pour créer un champ tournant. Les courants sont
représentés par des rectangles et la tension continue d’alimentation
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
D 5 553 − 13
TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
_____________________________________________________________________________________________________
varie en fonction de la vitesse. Cette tension est délivrée soit par
un pont mixte, soit par un hacheur de courant selon le type de réseau
d’alimentation.
La séquence de fonctionnement est la suivante : les thyristors Th1
et Th2 et les diodes D1 et D2 sont passants, le courant circule dans
les phases R et T, le condensateur C 1 est chargé à – U et C 5 à + U.
À l’amorçage de Th3, la décharge de C 1 provoque l’extinction de
Th1, la conduction se poursuit à travers D 1. Lorsque la tension aux
bornes de C 1 s’inverse, D3 commence à conduire. D1 s’arrête de
conduire lorsque la tension aux bornes de C 1 atteint + U. Le courant
circule dans les phases S et T. Selon le même principe, les thyristors
Th4, Th5, Th6, Th1 sont successivement amorcés.
À chaque instant, deux thyristors seulement sont dans un état
conducteur. Chaque thyristor conduit pendant un tiers de la période.
En faisant varier la durée du cycle, on détermine la fréquence de
fonctionnement.
Ce type de schéma présente l’avantage de la simplicité de
conception du convertisseur, qui ne nécessite pas l’utilisation de
thyristors rapides. Ceux-ci travaillent, en effet, à la fréquence du
moteur (f s < 200 Hz) et la durée des commutations est courte
comparativement à la durée du cycle si le moteur est conçu avec
une faible impédance de fuite. Comme le montre la figure 16, la
commutation peut se réaliser simplement, sans qu’il soit nécessaire
de recourir à des thyristors auxiliaires d’extinction.
En revanche, ce schéma nécessite un filtre intermédiaire
important et, malgré les faibles impédances de phases, des
condensateurs de commutation (C 1, ..., C 6) importants.
En outre, la commutation des courants en tout ou rien crée
différents champs et courants selon la décomposition en série de
Fourier des ondes de courant. On distingue :
— le courant fondamental de période T qui crée le champ tournant
principal ;
— les harmoniques de rang 6 n – 1 tournant dans le sens opposé
et 6 n + 1 tournant dans le même sens.
Ces courants harmoniques sont à l’origine de pulsations du couple
moteur qui peuvent être préjudiciables à la tenue mécanique des
organes de transmission des efforts. Cela est particulièrement
ressenti aux faibles vitesses lorsque les harmoniques sont proches
des fréquences de résonance mécanique.
Pour éliminer ces pulsations de couple, on réalise un sousdécoupage permettant de supprimer une partie des harmoniques.
Au fur et à mesure que la fréquence augmente, le découpage est
modifié pour réduire le plus possible les couples pulsatoires dans
la plage de fréquence critique. Ce fonctionnement rend la
commande plus complexe. La figure 17 montre le type de découpage réalisé.
Réalisations : des équipements asynchrones à onduleurs de
courant ont été mis en service :
— en 1980, sur le métro de Nuremberg ;
— en 1984, à la RATP, sur deux motrices prototypes type MF 77 ;
— en 1985, à la SNCF, sur une motrice prototype bicourant
à 2 niveaux (Z 8895) ;
— de 1988 à 1990, à la SNCF, sur une série de 230 motrices du
(0)
type bicourant à deux niveaux (tableau 4).
Tableau 4 – Équipement asynchrone
à onduleur de courant des Z 2N de la SNCF
Moteurs
— puissance en régime continu ....... : 375 kW à 1 460 tr / min
— ventilation ........................................ : forcée
— vitesse maximale ............................ : 3 355 tr / min
Masse...................................................... : 1 380 kg
(soit 460 kg de moins que le moteur à courant continu)
Équipement
l’ensemble des semi-conducteurs est immergé dans un
liquide caloporteur à l’intérieur de 4 enceintes ventilées de
80 kg (2 pour le hacheur et le pont traction-freinage et 2 pour
chacun des onduleurs) :
— logique de commande ................... : à microprocesseur
— appareillage..................................... : électromécanique
Masse...................................................... : 1 580 kg
(soit 270 kg de plus que le moteur à courant continu)
Inductances
— inductance de lissage.................... : 5 mH ; 550 A
— inductance de filtre ........................ : 9,5 mH ; 850 A
Masse des inductances....................... : 2 600 kg
Figure 16 – Onduleur de courant : schéma de principe
Figure 17 – Sous-découpages réalisés sur l’onduleur de courant
pour réduire les harmoniques
D 5 553 − 14
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
_____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
4.6 Onduleur de tension
L’onduleur de tension permet la réalisation directe d’une tension
alternative proche de la sinusoïde, de tension et de fréquence
variables. Ce convertisseur est du type MLI (modulation de largeur
d’impulsion). Le rappel des principes de fonctionnement et leur
application dans le domaine ferroviaire seront uniquement traités
dans ce paragraphe sachant qu’il est possible de se reporter aux
articles Onduleurs de tension [D 3 176] [D 3 177] dans la rubrique
Électronique de puissance pour un développement plus complet.
Le convertisseur (figure 18) est alimenté par une source de tension continue.
La pseudo-sinusoïde d’amplitude et de fréquence fixées est
réalisée par commutation de la tension à une fréquence plus élevée que la sinusoïde de fréquence f s (figure 19) :
— la modulation de l’amplitude (courbe II ) est réalisée en faisant
varier la part positive et la part négative de chaque alternance ;
— la modulation de fréquence est réalisée en faisant varier le
temps de conduction des alternances.
La distribution des ordres sur les différents GTO est faite à partir
de l’intersection de sinusoïdes de référence et d’un signal triangulaire d’amplitude constante et de fréquence correspondant à la
fréquence de commutation (figure 19).
Le principe de la modulation d’impulsion montre que plus le
rapport entre la fréquence de commutation f c et celle délivrée par
l’onduleur f s est élevé, plus le taux d’harmoniques est faible. En
pratique, du fait des limitations technologiques des composants et
des pertes de commutation, on est amené à limiter la fréquence de
commutation à quelques centaines de hertz.
Pour limiter les harmoniques, il est nécessaire de synchroniser
les deux fréquences pour obtenir une forme d’onde satisfaisante.
Pour les alimentations triphasées, les rapports de commutation
multiples de trois sont favorables. On est donc amené à modifier
la modulation en fonction de l’évolution de la fréquence d’alimentation du moteur.
Il faut noter cependant que les problèmes d’harmoniques se
posent pour les vitesses basses où l’obtention de rapports de
commutation élevés est plus aisée. La figure 20 montre l’évolution
de la modulation réalisée sur la motrice prototype M10 024 de la
RATP.
Réalisations : des équipements asynchrones à onduleurs de
tension ont été mis, en service :
— en 1982, à la RATP, sur une motrice prototype de type MF 67 ;
— en 1982, sur un équipement prototype à thyristors testé au
Japon (réseau de Kumamoto) ;
— en 1984, où les premiers équipements à GTO apparaissent au
Japon, sur plusieurs motrices prototypes (Osaka, Tokyo) ;
— en 1987, où l’équipement prototype de MF 67 (RATP) a été
remplacé par un équipement de nouvelle génération à GTO ; ce
dernier sera monté en série sur les 9 trains MF 88 qui seront mis
en service à partir de 1992 (tableau 5).
(0)
Tableau 5 – Équipement asynchrone
à onduleur de tension du MF 88 de la RATP
Moteurs
— puissance en régime continu: 261 kW
(1 891 tr / min)
— ventilation.................................: autoventilé
— vitesse maximale.....................: 4 005 tr / min
Masse ..............................................: 930 kg
Équipement
■ connexion
à la ligne.....................
■ onduleur ...............
■ appareillage.........
— précharge.................................: parallèle
— disjoncteur ...............................: 1 000 A ; 30 kA de
pouvoir de coupure
— courant commuté....................: 1 500 A
les 2 GTO (2 500 V ; 2 000 A) et les 2 diodes de roue
libre (2 500 V) de chaque bras d’onduleur sont
montés sur un panneau SMF
— logique de commande............: à microprocesseur
— appareillage .............................: électromécanique
Masse totale...................................: 1 000 kg
Inductances
— inductance de filtre LC ...........: 4 mH ; 850 A
— masse........................................: 460 kg
Figure 18 – Onduleur de tension :
schéma de principe
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
D 5 553 − 15
TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
_____________________________________________________________________________________________________
5. Évolution des équipements
Une étape très importante en matière de technologie a été franchie
ces dernières années. La tendance actuelle consiste à consolider
cette technologie pour abaisser les coûts de fabrication tout en
conservant une fiabilité élevée.
Les dix prochaines années devraient permettre de juger de l’intérêt
économique des solutions asynchrones ; ce recul est nécessaire pour
juger de la fiabilité et de la charge de maintenance sur des séries
significatives.
La traction asynchrone sera à onduleur de tension avec une
commande des GTO plus performante permettant de réduire les
harmoniques.
La traction continue verra son champ d’application réduit à la
modernisation des équipements actuels et aux équipements peu
sophistiqués.
Les commandes à microprocesseur devraient tendre vers une
standardisation du matériel (unités modulaires en technologie CMS
communiquant entre elles par un bus standardisé) et du logiciel
(langages évolués).
La réduction des coûts et des volumes des équipements ainsi
que l’amélioration de leur fiabilité devraient réduire l’importance
de cette fonction vis-à-vis des autres fonctions train.
Figure 19 – Onduleur de tension : principe de découpage
Figure 20 – Évolution de la modulation en fonction de la fréquence
D 5 553 − 16
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
P
O
U
R
Transports électrique urbains
Équipements de traction
par
E
N
Yves THURIN
Ingénieur de l’École Nationale Supérieure des Techniques Avancées
Inspecteur Divisionnaire à la Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP)
Service du Matériel roulant de la Direction du Réseau ferré
Bibliographie
LE DUC (J.). – Étude et réalisation de chaînes de
traction à moteurs sans collecteurs. Rapport
RATP, juil. 1982.
BARRAL (A.). – Le moteur synchrone auto-piloté
appliqué à la traction et comparé aux autres
moteurs. RGCF, mai 1983.
COHUAU (J.L.). – Étude et réalisation d’un équipement expérimental de traction, utilisant deux
moteurs asynchrones triphasés alimentés par
un hacheur commutateur de courant. Mémoire
CNAM, fév. 1984.
MARCHAND (J.) et BOSCHAT (F.). – Une 2 e génération de hacheurs à la RATP. RGCF, avril 1985.
PETIT (G.) et PALAIS (G.). – La transmission
asynchrone des automotrices à deux niveaux.
RGCF, déc. 1987.
Normalisation française (AFNOR)
NF C 96-883
4-85
S
A
V
O
I
R
Sélection des circuits intégrés par élimination des
défauts de jeunesse : Prescriptions générales.
Doc. D 5 553
9 - 1990
P
L
U
S
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
Doc. D 5 553 − 1
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
0
File Size
993 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content