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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.
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Moteur synchrone autopiloté
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4. Convertisseur d’entrée sous caténaire monophasée
En Europe, les deux types de réseaux d’alimentation en tension monophasée sont :
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25 kV à 50 Hz (France, Danemark, Espagne, Luxembourg…) ;
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15 kV à 16 2/3 Hz (Allemagne, Autriche, Suisse…).
Pour adapter cette tension à l’intérieur de l’engin de traction, on distingue deux types de ponts redresseurs :
-
pont monophasé à commutation naturelle ;
-
pont monophasé à commutation forcée.
La commutation du courant entre les semiconducteurs est appelée « commutation naturelle » lorsqu’elle s’effectue au moyen de la tension du réseau d’alimentation. Les semiconducteurs utilisés sont les diodes et les thyristors classiques.
La commutation du courant entre les semiconducteurs est appelée « commutation forcée » lorsqu’elle s’effectue au moyen d’un « circuit extérieur » comprenant un condensateur et, éventuellement, d’autres semiconducteurs (diodes et thyristors) pour bloquer un thyristor classique. Rappelons que le blocage du thyristor GTO est aussi assuré par un condensateur, mais de faible valeur (4 à 6 µF).
Les caractéristiques technologiques des semiconducteurs de puissance ainsi que les performances de traction demandées conduisent à une tension d’alimentation monophasée des convertisseurs d’entrée de l’ordre de 2 kV environ. Cette tension s’obtient par l’intermédiaire d’un transformateur principal qui assure en même temps l’isolement galvanique du circuit de puissance par rapport à la caténaire.
4.1 Pont monophasé à commutation naturelle
A ce jour, ce type de pont équipe les engins de traction du réseau SNCF 25 kV à 50 Hz.
Leur motorisation est constituée par des moteurs à courant continu (locomotive BB 15000 et BB 22200, TGV-PSE…), des moteurs asynchrones (automotrices Z 20500) et des moteurs synchrones (locomotive BB 26000, TGV-Atlantique, TGV-Réseau, TGV-Thalys…).
La caractéristique commune à tous ces types de moteurs de traction est le principe d’alimentation à courant imposé.
Parmi les trois types de ponts redresseurs monophasés (pont de diodes, pont mixte et pont complet), seuls le pont mixte et le pont complet sont généralement utilisés en traction ferroviaire car ils permettent le réglage...
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