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RÉSUMÉ
La traction électrique ferroviaire, dont un des aspects est de couvrir et la très grande vitesse et les trafics urbains et sururbains, possède une dynamique qui lui est spécifique. La définition de ses performances englobe notamment le calcul des efforts nécessaires en marche, la notion d’adhérence, la caractéristique effort/vitesse. Cet article contient les caractéristiques des engins moteurs électriques, qui permettent le bon dimensionnement des installations fixes de traction, soumises à des charges mobiles et très fluctuantes. Il comporte également les principes respectifs des alimentations de traction électrique à courant continu 1,5 kV et des alimentations de traction 25 kV-50 Hz.
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Christian COURTOIS : SNCF – Direction de l'Ingénierie - Département des installations fixes de traction électrique - Chef de la Division IGTE-ZU1 Équipements d'alimentation des lignes électrifiées
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Jean COUMEL : Ingénieur de l'École nationale supérieure des arts et métiers et de SUPELEC - Cadre supérieur honoraire SNCF - Mise à jour du dossier [D 5 501] rédigé en 1998 par François LACÔTE, Christian COURTOIS et Marc PROVOOST (SNCF)
INTRODUCTION
A ce jour, en France, 54 % des lignes du réseau ferré national, soit 15 350 km (dont 9 380 km électrifiés en 25 kV-50 Hz) sur 28 500 km, sont électrifiés et assurent plus de 90 % du trafic ferroviaire national.
La traction électrique ferroviaire est actuellement caractérisée par les aspects suivants :
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compte tenu des puissances nécessaires pour des trains de capacité unitaire de plusieurs centaines de voyageurs, elle est le vecteur unique tant de la très grande vitesse ferroviaire que des trafics urbains et suburbains. Les trains à grande vitesse utilisent, au-delà ou en amont des lignes à grande vitesse, les lignes classiques électrifiées pour desservir de nombreuses villes ;
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la prééminence de l'électrification monophasée sur l'électrification à courant continu (coût, capacité), fait que les nouvelles électrifications sont presque toujours en 25 kV-50 Hz, sauf quelques prolongements courts du réseau 1,5 kV. La conversion au monophasé 25 kV de lignes électrifiées en 1,5 kV, avec l'exigence de durées réduites d'interruption du service, constitue un challenge d'actualité ;
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les grandes innovations en matière de chaînes de traction, en particulier au niveau des convertisseurs d'énergie et des moteurs de traction triphasés associés. Les puissances massiques accrues permettent de réaliser des engins moteurs « polycourants ». Grâce à l'obtention d'un facteur de puissance très proche de 1 dans tous les régimes de fonctionnement et des spectres harmoniques réduits, ils permettent désormais une meilleure utilisation des installations fixes de traction monophasées. Les développements des convertisseurs de puissance concernent aussi les installations fixes de traction (compensation de déséquilibre, amélioration de l'alimentation en ligne par injection pilotée d'énergie réactive) ;
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sa forte implication dans le processus d'interopérabilité ferroviaire engagé au niveau de l'Europe, dans le cadre de la mise au point des « spécifications techniques d'interopérabilité » du domaine « Énergie ». Cette démarche concerne tant le réseau à grande vitesse que celui du rail dit conventionnel ou lignes classiques. Le sous-système Énergie présente des interfaces majeures avec le sous-système Matériel roulant, dans le domaine de la traction électrique.
Ce dossier comporte :
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des rappels relatifs à la dynamique ferroviaire et aux caractéristiques des engins moteurs électriques, éléments qui sont fondamentaux pour le dimensionnement des installations fixes de traction, soumises à des charges mobiles et très fluctuantes ;
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les principes respectifs des alimentations de traction électrique à courant continu 1,5 kV et des alimentations de traction 25 kV-50 Hz, dont la variante dite 2 × 25 kV, qui fut initiée en France au début des années 1980, à l'occasion de l'électrification de la première ligne à grande vitesse, Paris-Lyon.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version archivée 1 de mai 1998 par Marc PROVOOST, Christian COURTOIS
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Alimentation du réseau de traction électrique
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1. Dynamique ferroviaire
La définition des caractéristiques générales d'un engin moteur, c'est-à-dire la définition de ses performances, exige au préalable la connaissance complète du programme de traction qui lui sera confié : types de trains à remorquer avec leur masse, rampes à gravir, accélérations souhaitées, vitesse maximale, régimes dégradés de traction, etc.
Dans ce paragraphe, nous nous proposons d'abord de poser l'équation fondamentale de la dynamique qui permet de calculer les efforts nécessaires en marche que doit développer un engin de traction pour remorquer un train. Nous verrons ensuite que l'effort maximal qu'une roue peut développer sur un rail est rapidement limité par le phénomène de l'adhérence ; une perte d'adhérence se traduit par un départ de la roue en patinage, ce qui peut compromettre un démarrage.
Enfin, la connaissance de ces diverses valeurs permet au concepteur d'établir ce que l'on appelle la caractéristique effort/vitesse de l'engin moteur que l'exploitant utilise pour calculer les marches et les horaires des trains.
1.1 Efforts nécessaires en marche
En traction ferroviaire, l'équation fondamentale de la dynamique appliquée à un train de masse M et caractérisé par une accélération γ s'écrit :
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F j représente l'effort total aux jantes de la locomotive avec tous ses moteurs en service (que nous exprimerons ici en kilonewtons, délaissant le traditionnel « décanewton »).
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R représente la résistance à l'avancement du train sur voie horizontale et alignée. Cette résistance s'exprime en fonction de la vitesse V par une équation du type (A + BV + CV 2) dans laquelle :
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le terme (A + BV ) représente la résistance due au roulement et aux frottements mécaniques ;
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le...
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Dynamique ferroviaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SABATÉ (V.) - Traction électrique ferroviaire – Convertisseurs et moteurs. - [D 5 502] Réseaux électriques et applications, mai 1998.
-
(2) - MULLER (G.) - Traction ferroviaire : les tramways – Systèmes, exploitation et conception. - [D 5 550] Réseaux électriques et applications, nov. 2007.
-
(3) - Traction électrique ferroviaire – Le tram-train. - [D 5 552] Réseaux électriques et applications, fév. 2008.
-
(4) - CHAPAS (P.), PETIT (J.-M.) - Dimensionnement du matériel roulant ferroviaire. - [D 5 520] Réseaux électriques et applications, nov. 2004.
-
(5) - CHAPAS (P.), DEBRUYNE (M.) - Composants de l'électrotechnique en traction ferroviaire. - [D 5 530] Réseaux électriques et applications, nov. 2004.
-
(6) - ALACOQUE...
ANNEXES
TESSIER (M.) - Traction électrique et thermoélectrique. - Éditions Riber (1978).
ALLENBACH (J.M.), CHAPAS (P.), COMTE (M.), KALLER (R.) - Traction Électrique. - Presses Polytechniques et Universitaires Ronandes (2008).
COSSIÉ (A.) - Cours de traction électrique. - Cours CNAM (1983).
CUYNET (J.) - La traction électrique en France 1900-2005. - Les éditions La Vie du Rail (04-2005).
MICHON (J.) - 10 années d'alimentation du TGV SUD-EST. - Revue Générale des Chemins de Fer, France, p. 59-61, oct. 1991.
CHAUVIN (L.) - Les calculs d'horaires, d'énergie et d'échauffements sur ordinateur. - Revue Génerale des Chemins de Fer, mars 1959.
BIED-CHARRETON (D.) - Introduction à la cinématique ferroviaire. - Revue Génerale des Chemins de Fer, juil.-août 2004.
COURTOIS (C.) - Introduction of power electronics in traction power supply fixed installations. - WCRR, Seoul (2008).
BARRET (Ph.) - Régimes transitoires des machines tournantes électriques. - Éditions Eyrolles, p. 37-82 et p. 165-195 (1982).
SEGUIER (G.), NOTELET (F.) - Électrotechnique industrielle. - Lavoisier...
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