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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Évolution des schémas de puissance en traction électrique
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2. Interrupteurs électroniques en traction électrique
Un tableau récapitulatif des principaux interrupteurs électroniques utilisés en traction électrique est donné figure 5.
2.1 Thyristor : premier semi-conducteur contrôlé
La diode apparue durant les années 1960 ne faisait que redresser le courant sans possibilité de contrôle. Avec le thyristor, l'instant de mise en conduction du composant devient possible par la gâchette. L'injection d'une impulsion de courant de quelques ampères suffit. Une fois allumé, le thyristor ne s'éteindra qu'au passage à zéro du courant ou si on le force à passer à zéro. C'est la raison pour laquelle les premières utilisations se feront dans les redresseurs de courant alternatif. Dans ce cas, la commutation du thyristor lors du passage à zéro du courant est dite « naturelle ». Les premiers composants seront appelés « thyristors lents » en rapport avec leur temps de recouvrement tq pour retrouver leur pouvoir bloquant de plusieurs centaines de microsecondes, typiquement de 200 à 300 μs (figure 6).
En 1971, la locomotive monophasée BB15000 de la SNCF marque l'entrée de l'électronique de puissance. On peut dire qu'elle fait office de pionnière en la matière, munie de deux moteurs de traction à courant continu de 2 200 kW chacun. Le contrôle de chaque moteur est réalisé par deux ponts redresseurs en série, l'un mixte, thyristors-diodes, l'autre complet, tous thyristors, ce qui permet en plus la récupération d'énergie en freinage.
Quelques années plus tard, les thyristors dits « rapides » (figure 7) à temps de recouvrement tq de quelques dizaines de microsecondes (25 à 50 μs), vont permettre la réalisation des hacheurs de courant sous tension continue, le maillon manquant. Ces hacheurs sont en quelque sorte des transformateurs DC/DC à rapport continûment variable. Les schémas de commutation des thyristors seront encore relativement compliqués. Il y en aura beaucoup, chaque constructeur s'évertuant à avoir le sien. Ce n'est certainement pas encore la standardisation des schémas mais le thyristor rapide ouvre la porte aux engins de forte puissance sous 1 500 V : la BB7200 en 1976, homologue de la BB15000. Les rhéostats de démarrage si encombrants sont mis au rebut, on va maintenant savoir faire des engins multitensions AC-DC tout silicium,...
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Interrupteurs électroniques en traction électrique
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
-
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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