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Auteur(s)
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Victor SABATÉ : Ingénieur CNAM - Expert électrique à la Direction technique de GEC Alsthom Transport - Intervenant ferroviaire à l’École supérieure des techniques aéronautiques et de construction automobile
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Le choix politique de l’augmentation de la vitesse des trains ainsi que celle des performances des trains de marchandises a conduit la SNCF à s’orienter vers l’utilisation des moteurs triphasés – synchrone et asynchrone – à partir de la décennie quatre-vingt.
Ces moteurs se caractérisent par une plus grande puissance massique et volumique que les moteurs à courant continu. Cette démarche s’avère nécessaire, car la masse de l’engin de traction constitue une grandeur critique notamment sur la limitation de la vitesse du train à cause des problèmes de dégradation des voies ferrées.
Depuis la fin de la décennie quatre-vingt, cette motorisation se généralise sur l’ensemble des nouveaux matériels roulants : automotrices de banlieue et de région, motrices TGV et locomotives.
Le moteur synchrone à rotor bobiné n’est pas industriellement intéressant pour équiper les automotrices, car la puissance unitaire des moteurs est de quelques centaines de kilowatts. Au-dessous de 1 MW, le dimensionnement du rotor ne varie pas proportionnellement à la puissance de définition du moteur.
Le pilotage des moteurs triphasés s’effectue au moyen d’onduleurs alimentés depuis :
-
une source de courant continu pour les moteurs synchrone et asynchrone ;
-
une source de tension continue seulement pour le moteur asynchrone.
La SNCF n’a pas choisi l’utilisation du moteur synchrone alimenté depuis une source de tension continue, car la structure de l’onduleur est nettement plus complexe et coûteuse par rapport à celle retenue.
Ce choix de motorisation n’est devenu intéressant que grâce à l’évolution récente et progressive (depuis deux décennies) des semiconducteurs de puissance. L’optimisation de la masse et du volume des équipements embarqués étant un critère essentiel, il est nécessaire de minimiser le nombre de semiconducteurs de puissance et on se situe, fréquemment, à la limite du savoir-faire technologique du moment.
L’alimentation de l’engin de traction depuis la caténaire implique l’adaptation de la tension et/ou du courant d’alimentation des onduleurs triphasés en utilisant des structures de convertisseurs d’entrée plus ou moins complexes. Avant de concevoir la structure et le pilotage des convertisseurs d’entrée, il est important de définir leur compatibilité électromagnétique vis-à-vis de l’environnement ferroviaire et public.
Compte tenu de ces différents aspects techniques, nous abordons cette étude sur les convertisseurs statiques et les moteurs de traction dans l’ordre suivant :
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compatibilité électromagnétique dans le domaine ferroviaire ;
-
semiconducteurs de puissance ;
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convertisseurs d’entrée sous caténaire continue et sous caténaire monophasée ;
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moteur synchrone et moteur asynchrone.
L’article «Traction électrique ferroviaire » fait l’objet de plusieurs fascicules :
D 5 501 Dynamique ferroviaire et sous-stations
D 5 502 Convertisseurs et moteurs
D 5 503 Perspectives d’évolution
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules.
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Semiconducteurs de puissance
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1. Compatibilité électromagnétique dans le domaine ferroviaire
Dans le domaine ferroviaire, le seul aspect toujours traité concerne les perturbations électriques conduites à basse fréquence (f < 20 kHz) émises par le matériel roulant vers les circuits de signalisation ferroviaire, car elles mettent en jeu la sécurité de la circulation des trains.
L’évolution technologique des équipements embarqués (prolifération des matériels électroniques, augmentation des di/dt et des dv/dt des semiconducteurs de puissance…) s’est accompagnée corrélativement d’une augmentation des problèmes de perturbations électromagnétiques à haute fréquence jusqu’à 1 GHz.
Pour éviter une situation critique et afin d’uniformiser les pratiques, une Directive relative à la Compatibilité Électromagnétique « CEM » a été adoptée par le Conseil de la Communauté Européenne en 1989, qui reconnaît ainsi la CEM comme un élément important dans la réalisation des équipements. Le Comité Européen de Normalisation Électrique « CENELEC » a établi des normes de CEM dont la mise en œuvre est effective depuis le 1er janvier 1996. Ces normes CEM concernent les différents environnements rencontrés (domestique, commercial, industriel…) et aussi, le ferroviaire (norme EN 50121).
1.1 Généralités
La compatibilité électromagnétique est définie comme l’aptitude d’un dispositif, d’un appareil ou d’un système à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet environnement.
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Définitions
On appelle :
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source, tout émetteur de perturbation électromagnétique d’origine humaine (décharge électrostatique), naturelle (foudre) ou matérielle ; cette source peut être intentionnelle ou pas, permanente ou impulsionnelle ;
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victime, l’élément soumis à une perturbation électro-magnétique ;
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couplage, le mode de transmission (conduit et/ou rayonné) d’une perturbation électromagnétique de la source vers la victime.
Rappelons...
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