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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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5. Moteur synchrone autopiloté
Les engins de traction équipés de moteurs synchrones sont conçus uniquement par GEC Alsthom Transport et exploités depuis la fin de la décennie quatre-vingt. Parmi les différents matériels roulants, en exploitation ou en cours de livraison, citons :
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réseau SNCF : locomotive BB 26000, TGV-Atlantique, TGV-Réseau, TGV-Duplex, TGV-Thalys... ;
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exportation : TGV Espagne, TGV Corée...
5.1 Caractéristiques spécifiques au ferroviaire
En traction ferroviaire, nous utilisons le moteur triphasé synchrone équipé d’un rotor bobiné à pôles saillants et constitué de 3 ou 4 paires de pôles, selon les performances exigées. Le rotor comporte un circuit amortisseur.
Le moteur synchrone se caractérise par la possibilité de faire varier la puissance réactive absorbée ou fournie à l’alimentation. Cette caractéristique intrinsèque a favorisé notre choix sur le principe d’alimentation du moteur en retenant l’onduleur de courant, comme nous le verrons ultérieurement.
Sans reprendre la théorie de la machine synchrone [D 480], il est intéressant de rappeler succinctement les grandeurs électriques et magnétiques qui sont indispensables au pilotage, en mettant en évidence les spécificités du ferroviaire.
HAUT DE PAGE5.1.1 Coefficient d’équivalence
Dans cette analyse, le coefficient d’équivalence (appelé kn) est le rapport de transformation du courant statorique ramené au rotor du point de vue de la production de la force magnétomotrice f.m.m. La valeur de kn est calculée par le motoriste d’après la structure des bobinages du stator et du rotor.
Pour les applications ferroviaires, il faut optimiser la masse et le volume du moteur de traction, ces contraintes se traduisant par la conception d’un moteur fortement saturé surtout lors de l’effort maximal au démarrage. Ainsi, le coefficient d’équivalence calculé et/ou mesuré ne permet pas d’obtenir, avec une précision raisonnable la prédétermination du courant d’excitation J, pour un point de fonctionnement donné en régime saturé.
Selon le type de moteur de traction, on constate une erreur de calcul sur le courant...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - TESSIER (M.) - Traction électrique et thermo-électrique - . Éditions Riber - 1978.
-
(2) - COSSIÉ (A.) - Cours de traction électrique - . Cours CNAM - 1983.
-
(3) - MOLINS (H.) - Alimentation en énergie électrique de la ligne nouvelle - . Revue Générale des Chemins de Fer, France - septembre 1981, p. 498 à 502.
-
(4) - ROUSSEL (H.) - Power supply for the atlantic TGV high speed line - . IEE - septembre 1989, p. 388 à 392.
-
(5) - MICHON (J.) - 10 années d’alimentation du TGV SUD-EST - . Revue Générale des Chemins de Fer, France - octobre 1991, p. 59 à 61.
-
(6) - COURTOIS (C.) - Perturbations électriques conduites portées par les courants de traction - . Publication INRETS, Paris - Journée...
Dans les Techniques de l’Ingénieur Traité Génie électrique
* - L’évolution de la traction électrique fait appel à celle de toutes les technologies relatives au génie électrique. De ce fait, la totalité du présent traité est concerné par ce sujet.
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Autres bibliographies
Alstom Transport - * - Documentation interne : La Traction ferroviaire – P. CHAPAS.
KALLER (R.) - ALLENBACH (J.M.) - * - Traction électrique – Collection Électricité – Presses Polytechniques et Universitaires Romandes – CH 1015 Lausanne - 1995.
* - Revue Générale des Chemins de fer – 1954 à 2003.
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ENV 50121 - 01-2001 - Applications ferroviaires. Compatibilité électromagnétique. - -
ENV 50121-1 - Généralités. - -
ENV 50121-2 - Émission du système ferroviaire dans son ensemble vers le monde extérieur. - -
ENV 50121-3-1 - Matériel roulant. Trains et véhicules complets. - -
ENV 50121-3-2 - Matériel roulant. Appareils. - -
ENV 50121-4 - Émission...
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