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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 :
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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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Convertisseur d’entrée sous caténaire continue
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2. Semiconducteurs de puissance
En traction ferroviaire, il faut minimiser la masse et le volume des équipements embarqués. En fonction des contraintes d’installation et des performances de traction à assurer, les constructeurs de matériel roulant demandent aux fabricants de semiconducteurs de spécialiser certaines caractéristiques afin de limiter le nombre de composants à associer en série et/ou en parallèle. Fréquemment, il s’avère que ces composants sont à la limite du savoir-faire technologique du moment.
2.1 Performances des composants utilisés
Dans le domaine ferroviaire, les convertisseurs statiques sont définis pour une puissance de transfert limitée à quelques mégawatts et les semiconducteurs sont soumis à une contrainte en tension qui peut atteindre 4 kV continu : c’est le cas des trains circulant sous caténaire de tension nominale 3 kV continu, par exemple sur le réseau belge.
Afin de mettre en évidence les performances spécifiques des semiconducteurs de puissance utilisés à la SNCF, nous indiquons, pour chaque type de composant, des valeurs limites de caractéristiques obtenues à ce jour.
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Diode rapide de puissance
Considérons, à titre d’exemple, la diode rapide utilisée dans le circuit de roue libre du hacheur de la locomotive BB 26000. Nous disposons d’un hacheur par bogie moteur et sa puissance de transfert atteint 3 000 kW sous 1 500 V (continu). La fonction de diode de roue libre est assurée par 2 bras en parallèle constitués chacun par 3 diodes en série.
Les caractéristiques essentielles de ce type de diode sont :
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tension inverse de pointe répétitive V RRM 3 400 V
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courant moyen I 0 1 000 A
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(selon les conditions
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d’utilisation)
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tension à l’état passant V TM 1,85 V (à 1 500 A)
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charge recouvrée Q rr 1 300 µC ( I = 1 000 A ;
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di/dt = 100 A/µs)
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courant maximal recouvré I rr 420 A
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Thyristor rapide de puissance
Considérons, à titre d’exemple, le thyristor rapide symétrique en tension utilisé dans l’onduleur de courant du TGV-Atlantique qui est équipé de moteurs synchrones....
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