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RÉSUMÉ
La traction électrique, bien qu'apparue en 1880, a réellement été développée à partir de 1970, avec l'apport de l'électronique de puissance. En effet, cette dernière a permis de réelles avancées en offrant la possibilité de mettre en relation toutes les formes d'énergie électrique, cela de façon continue et bidirectionnelle, avec un excellent rendement. Ainsi l'utilisation de semi-conducteurs en silicium a généré un véritable gain en souplesse de contrôle, en énergie consommée et en compacité/légèreté pour les machines. Cet article présente le cheminement des évolutions technologiques dans le domaine de la traction électrique, des premières machines à l'emploi d'interrupteurs électroniques. Avec la description de nouveaux matériaux, comme le carbure de silicium, ce dossier aborde également les tendances du domaine et les progrès à venir.
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Marc DEBRUYNE : Ingénieur HEI (Hautes Études Industrielles) - Master Expert en Systèmes de traction – Alstom Transport
INTRODUCTION
Il est communément admis que la traction électrique a pris naissance vers 1880 lorsque Werner von Siemens présentait pour la première fois un engin mû par un moteur électrique à l'exposition universelle de Berlin. À l'aube du vingtième siècle, tous les types de moteurs électriques étaient connus, qu'ils soient à courant continu, synchrone ou asynchrone. Cependant, il manquait à ces machines la souplesse de réglage, c'est ce que va apporter l'électronique de puissance quand elle fait son entrée avec les thyristors à la fin des années 1960.
Le fondement de l'électronique de puissance s'appuie essentiellement sur le concept d'interrupteur statique qui va être réalisé grâce au silicium, matériau aux propriétés étonnantes, capable de passer de l'état d'isolant à l'état de conducteur sous l'action d'une simple commande électrique.
En cheminant dans le domaine de la traction électrique depuis ses origines à travers toutes les étapes technologiques jusqu'à l'avènement des interrupteurs électroniques, on pourra apprécier le génie inventif des ingénieurs du ferroviaire et mesurer l'accroissement progressif mais constant des performances et de la compacité des équipements traction à chaque évolution des semi-conducteurs de puissance, diode, thyristor, GTO et IGBT.
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Présentation
Interrupteurs électroniques en traction électrique
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1. Trois révolutions technologiques
Pour mieux saisir et apprécier ce qu'a apporté l'électronique de puissance dans la traction électrique, il n'est pas inutile de revenir aux origines pour mesurer les formidables pas accomplis et rappeler les trois révolutions technologiques fondamentales qui ont marqué les 200 années écoulées.
1.1 Vapeur
Le train est né avec la vapeur et la révolution industrielle du début du XIX e siècle. La vapeur est une première révolution extraordinaire car elle met fin à la traction… animale.
Rappelons la petite locomotive de Richard Trevithick de 1804 et la fameuse « Rocket » de George Stephenson qui fera son voyage inaugural entre Liverpool et Manchester en 1830 pour ensuite inonder l'Europe.
1.2 Électricité
La deuxième grande révolution se situe vers 1880, le XIX e siècle va voir la véritable naissance de l'électricité avec Oersted, Ampère, Faraday, Lenz, Maxwell et ses fameuses quatre équations. Toutes les lois pratiques de l'électricité sont découvertes en moins de 50 ans et en 1879, à l'occasion de l'exposition universelle de Berlin, le baron Werner von Siemens va faire entrer l'électricité dans le monde des trains et du transport en présentant un « engin électrique »… de 3 CV qui sera l'« attraction » du moment.
Zénobe Gramme avait inventé le collecteur et le moteur à courant continu dès 1871 et le génial Nicolas Tesla faisant tourner son premier moteur asynchrone en 1883.
En fait, à l'aube du XX e siècle, toutes les machines électriques modernes triphasées synchrones et asynchrones sont déjà inventées mais il va leur manquer la 3e révolution pour donner pleinement leur capacité.
En effet, il ne suffit pas d'avoir le moteur de traction, encore faut-il pouvoir le contrôler, c'est-à-dire régler son couple et sa vitesse et là est la difficulté à l'aube de la traction électrique.
On ne sait pas encore en ce début de XX e siècle convertir l'énergie électrique, c'est-à-dire changer sa forme, on sait au mieux faire chuter une tension continue en insérant une résistance entre la ligne...
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Trois révolutions technologiques
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FORRAY (R.) - SNCF. Les locomotives de la série BB12000 à redresseurs au silicium. - Revue Générale des Chemins de Fer, fév. 1965.
-
(2) - NOUVION (F.), COSSIE (A.), DUPONT (R.) - SNCF. Les locomotives monophasées BB15000. - Revue Générale des Chemins de Fer, juin 1971.
-
(3) - MACHEFERT TASSIN (Y.), NOUVION (F.), WOIMANT (J.) - Histoire de la traction électrique. - Collection « histoire et technique », La Vie du Rail, tome 1 (1980), et tome 2 (1986).
-
(4) - LACÔTE (F.) - La nouvelle génération de matériel à grande vitesse de la SNCF. Le matériel TGV Atlantique. - Revue Générale des Chemins de Fer, déc. 1986.
-
(5) - JEUNESSE (A.) SNCF, DEBRUYNE (M.H.) Alston - La BB36000 : la locomotive multitension européenne. - Revue de l'électricité et de l'électronique REE, oct. 1998.
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Laboratoire de machines électriques http://lme.epfl.ch/page15864.html
Traction électrique Vol. 1, 2e édition entièrement revue et augmentée http://www.polymtl.ca/pub/argumentaire.php?l=fre=7616
HAUT DE PAGE
EPE European Power Electronics and Drive http://www.epe-association.org/epe/index.php
PCIM Power Conversion Intelligent Motion http://www.mesago.de/en/PCIM/main.htm
HAUT DE PAGE3.1 Constructeurs de matériel ferroviaire
Alstom Transport http://www.transport.alstom.com
Bombardier http://www.bombardier.com
Siemens http://www.siemens.com
...
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