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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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Lire l’articleINTRODUCTION
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 :
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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 ;
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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.
L'expertise technique et scientifique de référence
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Convertisseur d’entrée sous caténaire monophasée
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3. Convertisseur d’entrée sous caténaire continue
En Europe, les trois principales sources d’alimentation continue sont :
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750 V (RATP, Angleterre…) ;
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1 500 V (SNCF, Hollande…) ;
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3 000 V (Belgique, Espagne, Italie…).
Le convertisseur d’entrée des engins de traction alimentés sous caténaire continue est un « hacheur de courant » appelé simplement « hacheur ». Selon la configuration du hacheur, le transfert d’énergie s’effectue de la ligne d’alimentation vers le moteur ou inversement.
3.1 Caractéristiques spécifiques au ferroviaire
Dans le ferroviaire, la spécificité essentielle du hacheur réside dans sa compatibilité électromagnétique avec les circuits de signalisation au sol. Avant d’aborder cet aspect, il est intéressant de présenter une synthèse des configurations rencontrées, sans en décrire le fonctionnement car celui-ci est bien connu.
HAUT DE PAGE3.1.1 Synthèse des configurations de hacheur
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La motorisation des engins de traction s’effectue avec des moteurs à courant continu ou des moteurs triphasés, synchrone ou asynchrone, associés à un onduleur :
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les moteurs à courant continu et les moteurs synchrones sont alimentés en courant imposé ;
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pour les moteurs asynchrones, on distingue deux modes d’alimentation : courant imposé ou tension imposée.
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Lorsque le circuit récepteur est alimenté par une source de courant, la tension moyenne – aux bornes du moteur à courant continu ou de l’ensemble onduleur-moteur triphasé – dépend du point de fonctionnement et elle est toujours inférieure à celle de la caténaire.
Dans ce cas, la configuration du hacheur utilisé est :
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abaisseur de tension en traction ;
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élévateur de tension en freinage, par récupération d’énergie à l’alimentation.
Lorsque le circuit récepteur est, par contre, alimenté par une source de tension, l’amplitude de celle-ci – aux bornes de l’ensemble onduleur-moteur triphasé – est indépendante du point...
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