Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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Although electric traction was created in 1880, it was not developed until 1970 with the help of power electronics. Indeed, power electronics has allowed for significant progress by offering the possibility to link all forms of electric energy in a continuous and two-directional way, with an excellent yield. Thus, the use of silicon semiconductors has significantly improved the easiness of control, decreased the amount of energy used and increased the compactness/lightness of machines. This article presents the progress of technological evolutions in the field of electric traction, from the first machines up to the use of electronic switches. Via the description of new materials such as silicon carbide, this article also deals with the current trends of the domain and improvements to come.
Auteur(s)
-
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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Trois révolutions technologiques
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5. Conclusion
L'électronique de puissance, apparue au début des années 1970, a permis de concrétiser des solutions déjà envisagées par les ingénieurs du domaine ferroviaire du siècle précédent comme les machines triphasées sans collecteur ou l'alimentation à fréquence industrielle pour n'en citer que deux. Si on devait caractériser de façon synthétique l'électronique de puissance, on dirait qu'elle est le vecteur indispensable pour mettre en relation toutes les formes d'énergie électrique, cela de façon continue, bidirectionnelle et avec un excellent rendement. À chaque fois qu'il a été possible de remplacer des composants électrotechniques à base de matériau ferromagnétique et de cuivre par des composants « intelligents » en silicium, le gain en souplesse de contrôle, en énergie consommée et en compacité/légèreté a été en faveur de l'électronique de puissance.
Pour le moment, l'évolution des semi-conducteurs semble marquer le pas avec l'IGBT. Cependant, on annonce déjà l'après silicium avec l'émergence d'un nouveau matériau prometteur : le carbure de silicium (SiC). Le silicium est toujours limité à 125 oC voire 150 oC de température jonction ; le SiC affiche des possibilités thermiques inégalées de plusieurs centaines de degré. La limite en tension des IGBT est presque atteinte avec les composants 6 500 V ; là encore le SiC fait entrevoir des tenues en tension de 10 à 15 kV voire plus.
Il va encore falloir attendre mais la tendance est inéluctable. La structure des convertisseurs va s'en trouver bouleversée ; le transformateur de traction par exemple, lourd et volumineux, est certainement le prochain composant qui pourrait changer radicalement. Le transformateur à bord des engins de traction n'est pas une fin en soi ; il est là principalement pour abaisser la tension d'entrée et s'adapter aux possibilités des semi-conducteurs. Quand les interrupteurs du futur pourront supporter plusieurs dizaines de kV, ils donneront accès aux convertisseurs directement connectés à la caténaire, on n'en est pas si loin.
Des expérimentations dans ce sens ont déjà eu lieu en 2003. Une entre autres mettait en jeu un transformateur moyenne fréquence à 5 000 Hz alimenté par 8 convertisseurs en série directement connectés sur le réseau 15 kV-16,7 Hz. Techniquement, ce fut un succès, seul l'aspect économique...
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
-
(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
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Matériel moteur. Moteur synchrone autopiloté alimenté par un onduleur de courant.
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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