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Transports électriques urbains Équipements de traction par Yves THURIN Ingénieur de l’École Nationale Supérieure des Techniques Avancées Inspecteur Divisionnaire à la Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP) Service du Matériel roulant de la Direction du Réseau ferré 1. 1.1 1.2 1.3 Choix de la chaîne de traction ............................................................. Rappel historique ........................................................................................ Différents types de moteur de traction envisageables............................. Critères de choix.......................................................................................... 2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Technologies utilisées pour les équipements.................................. Généralités ................................................................................................... Connexion à la ligne.................................................................................... Disjoncteur et filtre d’entrée ....................................................................... Équipement de puissance........................................................................... Logique de commande ............................................................................... — — — — — — 3 3 3 3 3 5 3. 3.1 3.2 3.3 3.4 Équipements de contrôle des moteurs à courant continu........... Évolution des équipements ........................................................................ Rappel sur les phases de fonctionnement ................................................ Hacheur à excitation série du MF 77.......................................................... Hacheur quatre quadrants .......................................................................... — — — — — 5 5 6 7 8 4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Équipements de contrôle des moteurs asynchrones..................... Utilisation des moteurs asynchrones ........................................................ Phases de fonctionnement ......................................................................... Choix du type de convertisseur.................................................................. Mise en parallèle des moteurs ................................................................... Onduleur de courant ................................................................................... Onduleur de tension.................................................................................... — — — — — — — 12 12 12 13 13 13 15 5. Évolution des équipements................................................................... — 16 Pour en savoir plus .......................................................................................... D 5 553 - 2 — 2 — 2 — 3 Doc. D 5 553 ’article Transports électriques urbains fait l’objet de plusieurs articles : — Conception du matériel roulant [D 5 551] ; — Équipements électriques du matériel roulant [D 5 552] ; — Équipements de traction [D 5 553] ; — Distribution d’énergie. Automatismes de contrôle [D 5554] ; et les sujets traités ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres articles. D 5 553 9 - 1990 L Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 553 − 1 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS _____________________________________________________________________________________________________ 1. Choix de la chaîne de traction 1.1 Rappel historique Pour situer les éléments qui guident le choix d’une motorisation, il est nécessaire de faire un bref historique sur l’évolution de la traction ferroviaire urbaine. Dès le début de la traction électrique, le choix s’est porté sur le moteur à courant continu, qui satisfait parfaitement aux exigences de la traction qui sont : — un fort couple au démarrage, pour avoir une accélération maximale (de 0,6 à 1,3 m / s2 selon la motorisation) au démarrage jusqu’à environ 1/3 de la vitesse maximale ; — une réduction progressive du couple ensuite, pour atteindre une accélération résiduelle d’environ 0,1 m / s 2 à la vitesse maximale (80 km / h pour le métro et 120 km / h pour le réseau suburbain) ; — un fonctionnement en marche dégradée (avarie sur un équipement, perte de la commande principale), permettant le rapatriement du train au terminus. La mise en œuvre du moteur à courant continu est simple, un ensemble de contacteurs et de résistances permettant la montée progressive en tension du moteur et le shuntage des inducteurs. Le point faible de ce moteur est son collecteur. Sa fiabilité est conditionnée par une parfaite réalisation et un entretien périodique (vérification de l’usure des balais et de l’état du collecteur tous les 25 000 km et révision tous les 500 000 km). L’utilisation des moteurs asynchrones en traction ferroviaire remonte à 1892. Les machines étaient alimentées directement en triphasé, à fréquence fixe, par deux pantographes adjacents, avec le rail pour troisième conducteur. Mais les inconvénients étaient nombreux : systèmes compliqués de distribution et de captation du courant, centrales électriques spéciales à fréquence de 16 2/ 3 Hz, dissipation importante dans les rhéostats, etc. À partir de 1930 se développent des convertisseurs alimentés en monophasé, à la fréquence de 50 Hz, et délivrant du courant triphasé à fréquence variable à l’aide de plusieurs machines : un moteur synchrone, un moteur à courant continu et une génératrice asynchrone. Mais les difficultés liées à l’obtention d’une tension triphasée d’amplitude et de fréquence variables font que ces solutions n’arrivent pas à s’imposer devant la solution à courant continu et qu’elles sont progressivement abandonnées. Avec l’arrivée de l’électronique de puissance dans les années soixante-dix, les possibilités d’alimentation des moteurs s’ouvrent sur deux grandes voies techniques : — le hacheur de courant avec le moteur à courant continu ; — les onduleurs avec les moteurs alternatifs. La technologie naissante des semi-conducteurs à haute tension impose alors la mise en série et en parallèle d’éléments de petite puissance. Les logiques de commande réalisées avec des éléments discrets à base d’amplificateurs opérationnels comprennent de nombreuses cartes. Les onduleurs, plus complexes, sont réalisés avec un volume important d’électronique de forte et de faible puissances, ce qui les rend onéreux et peu fiables. C’est pourquoi, de 1975 à 1985, hormis quelques prototypes asynchrones, la quasitotalité des matériels sortant de fabrication est équipée de moteurs à courant continu. Mais, avec l’arrivée, en 1982, des microprocesseurs et des composants de puissance de nouvelle génération [thyristors rapides de forte puissance et GTO (Gate Turn Off )], la réalisation d’onduleurs de puissance est devenue industriellement viable. D 5 553 − 2 1.2 Différents types de moteur de traction envisageables Les trois versions classiques de moteurs qui peuvent être et ont été envisagées pour la traction électrique sont le moteur à courant continu, le moteur asynchrone et le moteur synchrone. Les moteurs asynchrone et synchrone permettent de s’affranchir des collecteurs tournants, dont la réalisation et l’entretien sont délicats. Les bagues d’amenée de courant d’excitation du rotor du moteur synchrone ne sont pas considérées comme une source de complication. Par ailleurs, la contrainte de commutation limite la vitesse périphérique du collecteur à environ 50 m / s, ce qui correspond à une vitesse maximale du moteur continu de l’ordre de 3 500 tr / min. Les moteurs alternatifs peuvent fonctionner à des vitesses plus élevées que le moteur à courant continu, d’où un domaine de fonctionnement plus étendu. Par leur conception, les moteurs alternatifs ont des puissances massiques et volumiques plus importantes ; les ordres de grandeur des puissances massiques, en fonction des puissances nominales, sont donnés par le tableau 1. Cela montre l’intérêt des moteurs alternatifs lorsque le problème d’occupation dans les bogies est contraignant. (0) Tableau 1 – Comparaison des puissances massiques des différents moteurs Puissance nominale (kW) Moteur à courant continu (W / kg) Moteur asynchrone (W / kg) Moteur synchrone (W / kg) 250 175 270 (1) 400 190 270 (1) 1 000 340 750 650 (1) Les moteurs synchrones ne sont pas utilisés dans cette gamme de puissance. Un autre avantage des moteurs alternatifs réside dans la suppression de l’inverseur de sens de marche et, dans certains cas, du dispositif de commutation traction-freinage. Cependant, ces matériels n’interviennent que pour le moteur à courant continu du type série et non pour le moteur à courant continu à excitation séparée très utilisé actuellement du fait de l’évolution des équipements de contrôle (§ 3.4). Les moteurs alternatifs présentent les inconvénients suivants : — nécessité d’un autopilotage pour le moteur synchrone et d’un bouclage de vitesse pour le moteur asynchrone ; — encombrement légèrement plus important des équipements de puissance, du fait de leur complexité ; — réjections harmoniques plus importantes, pouvant créer quelques problèmes vis-à-vis de la signalisation (avec certains types de circuits de voie) ; elles nécessitent la mise en place de dispositifs de protection qui augmentent la complexité des équipements. Il apparaît actuellement que, pour les moteurs alternatifs, le moteur asynchrone est mieux adapté au transport urbain, le moteur synchrone étant surtout attrayant pour le domaine dit de la grande traction. La puissance des automotrices du type urbain ou suburbain étant répartie sur tout le train, la solution asynchrone est plus économique à double titre : — plusieurs moteurs peuvent être commandés en parallèle, alors que la solution synchrone nécessite un onduleur par moteur ; — le moteur synchrone étant plus complexe à réaliser, son coût d’acquisition est plus important. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique _____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS 1.3 Critères de choix 2.2 Connexion à la ligne Des critères techniques, financiers et politiques conduisent les décideurs à prendre une option adaptée à chaque réseau. Un ensemble de fusibles rapides à haute tension, situé au plus près du captage, assure la protection du câblage en cas d’amorçage à la masse. La commutation de l’alimentation pour les besoins de maintenance est assurée par un commutateur frotteur-prise, rupteur motorisé à quatre positions : frotteur, prise trolley, prise pour auxiliaires (fourniture d’air et basse tension), hors service. Précisons l’influence des principaux critères sur les deux technologies en compétition : — les moteurs à courant continu à excitation séparée, alimentés par hacheurs de courant ; — les moteurs asynchrones, alimentés par onduleurs de tension. ■ Critères techniques — Les performances offertes sont en faveur de la solution asynchrone, dont la puissance volumique du moteur est supérieure. — La disponibilité (article Équipements électriques du matériel roulant [D 5 552]) et le caractère éprouvé sont actuellement en faveur de la chaîne de traction à moteur à courant continu, ce qui ne sera plus le cas dans quelques années lorsque les technologies de la chaîne de traction à moteur asynchrone auront atteint leur maturité. — La maintenance (article Maintenabilité. Maintenance [T 4 305] dans le traité L’entreprise industrielle) des moteurs asynchrones est plus réduite et celle des équipements équivalente. — Les niveaux de confort et de silence sont équivalents. — Le rendement énergétique total de la chaîne continue est supérieur. — La cohabitation avec les autres systèmes est plus délicate pour les équipements asynchrones dont le taux de réjections harmoniques est plus important. ■ Critères financiers — Le coût du premier investissement est peut-être plus important pour la chaîne asynchrone, le moindre coût des moteurs de traction ne compensant pas toujours le surcoût des équipements. — Le coût de maintenance est plus réduit pour les moteurs asynchrones. — Les durées de vie sont du même ordre pour les deux solutions ; le problème de l’obsolescence peut se poser pour le moteur à courant continu dont la fabrication nécessite un savoir-faire qui peut disparaître si les fabrications se réduisent. ■ Critères politiques Le — — — — choix dépend notamment : des fabrications de l’industrie locale ; des intérêts industriels de ceux qui assurent le financement ; du caractère de modernité de la fourniture ; de la technicité du personnel de maintenance. 2.3 Disjoncteur et filtre d’entrée 2.3.1 Disjoncteur Il est destiné à protéger l’équipement de puissance et à isoler de la ligne, rapidement et en toute sécurité, l’équipement (non-traction en freinage d’urgence et non-régénération sur une ligne hors tension) ; il est caractérisé par un temps d’intervention très court ( 5 ms ), un pouvoir de coupure élevé (25 kA) avec une constante de temps L / R = 10 ms (L et R étant respectivement l’inductance et la résistance de la ligne HT) et une tension d’isolement de 3 k V en 750 V (courant continu) et 8 k V en 1 500 V (courant continu). Deux types de disjoncteurs sont utilisés : — les disjoncteurs électromécaniques, où une bobine assure la fermeture par suralimentation et le maintien ; — les disjoncteurs électropneumatiques, où un vérin pneumatique assure la fermeture et une bobine le maintien. La coupure rapide est obtenue grâce à un ressort puissant, libéré par une commande externe, ou interne pour certains disjoncteurs, en cas de surintensité. Pour réduire ce temps d’ouverture, la démagnétisation de la bobine de maintien est accélérée à l’aide d’un circuit électrique spécifique. Le soufflage de l’arc dans la cheminée est rendu plus efficace en allongeant l’arc avec un champ magnétique généré par une bobine. 2.3.2 Filtre d’entrée Les inductances à air, de forte valeur (≈ 3 mH), sont réalisées par bobinage d’un feuillard d’aluminium et d’un film isolant à base de mica autour d’un cylindre en bakélite, puis imprégnées sous vide. Lorsqu’un encombrement réduit est nécessaire, elles sont refroidies par ventilation forcée. L’ensemble complet pèse environ 450 kg. Les condensateurs de filtre d’entrée, réalisés à partir de plusieurs éléments mis en parallèle, sont au papier imprégné à l’huile minérale. 2. Technologies utilisées pour les équipements 2.4 Équipement de puissance 2.1 Généralités 2.4.1 Type des semi-conducteurs de puissance Les composants utilisés, spécifiques ou non à cette branche de l’industrie, répondent tous à des normes de qualité et de fiabilité. La fiabilité des équipements de traction intervient pour environ 40 % dans la disponibilité du matériel et donc dans la qualité de service offerte aux voyageurs. Les technologies employées, précisées ci-après, sont le mêmes pour les chaînes continue et alternative, mais sont plus particulièrement développées pour les alimentations à haute tension en courant continu 750 V ou 1 500 V ; en l’espace de 15 ans, elles ont considérablement évolué en puissance volumique et en fiabilité. Ils sont du type press-pack, dont la dimension des pastilles de silicium varie de 35 à 75 mm. Ils sont montés sur les radiateurs avec une force de serrage de 1 000 à 4 500 daN. 2.4.2 Refroidissement des semi-conducteurs Il était initialement réalisé par ventilation forcée, les éléments étant pressés entre deux dissipateurs constitués par des profilés munis d’ailettes en aluminium (figure 1). Cette solution, simple de mise en œuvre, imposait un nettoyage fréquent des coffres. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 553 − 3 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS _____________________________________________________________________________________________________ ■ Un deuxième procédé, développé par la société Alsthom à la fin des années soixante-dix, consiste à immerger les semi-conducteurs dans un liquide caloporteur isolant du type Fréon (figure 2). Un ensemble de semi-conducteurs pressés et connectés électriquement sur un support commun est placé dans une cuve hermétique munie d’ailettes. L’évaporation et la condensation sur les parois du liquide assurent le transfert de l’énergie thermique. Le refroidissement de la cuve se fait généralement en convection naturelle. Les avantages de ce mode de refroidissement sont la mise hors poussière et l’optimisation de la surface de refroidissement (le fluide réalisant une moyenne des échauffements des semi-conducteurs). Son inconvénient réside dans les contraintes d’intervention en cas de défaillance d’un composant : dépose en atelier de la cuve et ouverture en salle grise (air filtré et contrôle d’humidité). 2.4.5 Capteurs de mesure Pour les mesures de courant, ils sont à effet Hall pour garantir un isolement élevé. ■ Le procédé le plus récent, développé également par la société Alsthom, réunit les avantages des deux technologies précédentes : éléments actifs hors poussière et maintenabilité élevée. Le panneau SMF (système modulaire à refroidissement par Fréon) est constitué (figures 3 et 4) d’un socle où sont pressés les semiconducteurs et d’un panneau radiateur formant l’extérieur du coffre. Le fluide caloporteur circule du socle au radiateur en circuit fermé. L’isolement entre les deux parties est réalisé par des tubes isolants. Ce système permet d’enlever des semiconducteurs sans intervention sur le circuit de refroidissement. Il présente les avantages des deux précédentes technologies. Figure 3 – Panneau SMF (système modulaire à refroidissement par Fréon) du matériel d’interconnexion MI 84 B réalisé par la société Alsthom (doc. GEC Alsthom) 2.4.3 Câblage Les connexions de puissance sont réalisées au moyen soit de barres montées sur isolateurs, soit de câbles. 2.4.4 Inductances et condensateurs auxiliaires ■ Les inductances auxiliaires, assurant notamment la commutation et les limitations en di / dt , sont à air. Elles peuvent être toriques et avoir des fixations filtrantes pour limiter le bruit émis. ■ Les condensateurs auxiliaires sont au papier imprégné à l’huile. Figure 1 – Semi-conducteurs du type press-pack de 50 et 75 mm dans leur radiateur (doc. GEC Alsthom) Figure 4 – Panneau SMF (système modulaire à refroidissement par Fréon) : principe de fonctionnement Figure 2 – Cuve à refroidissement par Fréon d’une locomotive synchrone bicourant réalisée par la société Alsthom (doc. GEC Alsthom) D 5 553 − 4 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique _____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Les mesures de tension sont effectuées soit avec des ponts résistifs, soit avec des capteurs à effet Hall lorsqu’un isolement galvanique est demandé. 2.5 Logique de commande Les informations ainsi stockées permettent, après analyse, de diagnostiquer les pannes fugitives. 2.5.2 Inconvénients de la logique à microprocesseur Ce sont les suivants. Les logiques de commande, réalisées jusqu’en 1984 en circuits discrets à base d’amplificateurs opérationnels et de transistors, sont depuis lors à microprocesseur. 2.5.1 Avantages de la logique à microprocesseur Cette technologie présente les avantages ci-après. ■ Encombrement moindre (de 40 à 50 %) : contrairement à la technologie discrète, le volume d’électronique n’est pas directement proportionnel à la complexité. Il est plus lié au nombre d’entréessorties qu’à la quantité de mémoire nécessaire à la réalisation des commandes. En revanche, afin d’avoir une très grande immunité au bruit, la partie alimentation et les isolements sont plus importants. ■ Standardisation avec une grande souplesse d’évolution : à chaque matériel correspond une commande spécifique. La logique à microprocesseur, d’un développement plus onéreux que celle à circuits discrets, peut être utilisée, moyennant une adaptation du logiciel, sur des matériels et des équipements très différents : — la logique à microprocesseur du MF 77 (article Conception du matériel roulant [D 5 551]) est également utilisée sur les locomotives SNCF (BB 7411 à BB 7430 et prototype BB 7220) ; — les logiques du hacheur à thyristors du MI 84, du hacheur à GTO du MI 84B et de l’équipement asynchrone prototype du MF 77 sont sensiblement identiques. ■ Fiabilité plus importante : les logiques à microprocesseur sont très fiables : — d’une part, les composants utilisés dans le domaine ferroviaire sont sélectionnés en fiabilité ( classe G donnée par la norme NF C 96-883 en gamme de température étendue : – 65 oC à + 155 oC ) et des précautions de mise en œuvre sont prises (taux de charge, connectique, etc.) ; — d’autre part, le traitement de l’information étant numérique, les pannes fugitives liées aux dérives de composants sont considérablement réduites. ■ Intégration de nouvelles fonctions : par sa capacité à traiter l’information, à stocker cette dernière dans une mémoire qui peut être très importante et à communiquer avec d’autres systèmes, la logique à microprocesseur permet d’obtenir naturellement des fonctions nouvelles ou des fonctions qui étaient précédemment trop onéreuses. Certaines fonctions ont été intégrées dès le développement des premières logiques, comme l’aide à la maintenance sous diverses formes développées ci-après, la transmission d’informations vers le sol et la fonction anti-enrayage à glissement contrôlé. D’autres sont en développement pour les futurs matériels : aide au dépannage (système expert), reconfiguration automatique et partage de ressources. Trois types d’aide à la maintenance sont actuellement intégrés : — l’autotest, à la mise sous tension, teste le fonctionnement du calculateur (carte microprocesseur et cartes périphériques) et la validité des chaînes d’information, des capteurs de mesure aux commandes logiques et analogiques de sortie ; — l’essai à blanc teste séquentiellement le circuit de puissance et localise le composant avarié (ou le groupe de composants lorsqu’ils sont indissociables) ; — l’enregistrement d’événements réalise à chaque disjonction de l’équipement une mémorisation non volatile de l’état de l’équipement et de son environnement (vitesse, tension de la ligne, etc.). ■ Coût légèrement supérieur : ce coût est lié aux précautions de réalisation prises pour un fonctionnement en environnement hostile (les quelques microampères correspondant aux informations entrant et sortant sous quelques volts du microprocesseur sont à une trentaine de centimètres des semi-conducteurs commutant jusqu’à 1 000 A sous 1 500 V). ■ Moyens de maintenance différents : pour la maintenance du matériel, les systèmes d’aide à la maintenance permettent un allégement des opérations de 1er niveau (localisation de l’avarie et échange standard du sous-ensemble), mais des moyens de test plus sophistiqués sont nécessaires pour le dépannage de 2e niveau (test du sous-ensemble et échange de la carte avariée) et de 3e niveau (localisation et échange du composant en panne). La maintenance des logiciels, actuellement en assembleur (≈ 51 ko se répartissant en 22 ko pour le fonctionnel de commande, 29 ko pour la partie aide à la maintenance), nécessite, pour l’analyse et le test global, l’intervention d’un spécialiste de la traction informaticien. ■ Obsolescence des composants : le remplacement des composants de microinformatique se pose de façon plus aiguë que celui des composants discrets. Aux coûts matériels viennent s’ajouter les coûts de développement des logiciels. Le passage aux langages évolués, quand la puissance des calculateurs le permettra, limitera en partie ces coûts. 3. Équipements de contrôle des moteurs à courant continu 3.1 Évolution des équipements Le système de commande et de contrôle des moteurs continus du matériel roulant n’a connu, en 90 ans, que deux évolutions techniques importantes [la mise en œuvre des hacheurs quatre quadrants (§ 3.4) ne représentant qu’une évolution technologique] : — en 1950, le passage d’une technique à contacteurs à celle, plus séquentielle, d’un contrôleur à cames avec cylindre d’asservissement ; — en 1975, l’adoption par la RATP des hacheurs pour les matériels MF 77 et MI 79 (article Conception du matériel roulant [D 5 551]). Les motivations qui poussèrent la RATP à changer de technologie furent autant politiques que techniques. À cette époque, bien que le coût d’acquisition fût élevé et que cette technologie naissante rendît incertaine la fiabilité, les avantages techniques apparaissaient comme suffisamment porteurs de progrès sur le plan du confort et de l’évolution fonctionnelle des matériels pour étayer le choix. Rappelons les principaux avantages des hacheurs : — les performances sont plus élevées pour une même sollicitation de l’adhérence ; la figure 5 montre les différences de sollicitation pour des performances identiques ; — les constantes de temps sont très faibles (6 à 10 s environ étaient nécessaires pour réduire à zéro le courant maximal de Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 553 − 5 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS _____________________________________________________________________________________________________ traction avec les systèmes à cames ; avec les équipements à semiconducteurs, ce temps est inférieur à la seconde) ; elles permettent des variations rapides des efforts ; cette caractéristique est particulièrement intéressante pour les réseaux urbains où les trains passent continuellement de la traction au freinage ; — le freinage est à récupération ; ce freinage efficace permet une économie d’énergie importante (≈ 40 %) et donc une limitation des échauffements en tunnel ; — le confort est accru par le contrôle de l’accélération et de la dérivée de l’accélération (jerk ) ; — il y a limitation des courants appelés lors du démarrage ; — l’entretien périodique est réduit. De nombreux hacheurs ont été développés à travers le monde avec, dans la plupart des cas, des schémas fort différents. Nous nous limiterons dans cet article à mettre en évidence l’évolution des techniques. Pour ce faire, nous examinerons l’évolution des systèmes à hacheurs classiques en prenant comme référence le MF 77 et le système à hacheur de troisième génération actuellement en service sur le matériel d’interconnexion RATP / SNCF MI 84B. Le fonctionnement général des hacheurs ayant été exposé dans l’article Conversion continue. Hacheurs [D 5 502] du présent traité, seules les particularités de fonctionnement des différents schémas seront explicitées. 3.2 Rappel sur les phases de fonctionnement 3.2.1 Mise sous tension de l’équipement Quand le système de propulsion est activé, l’équipement est connecté à la ligne par l’intermédiaire du circuit de précharge du filtre. Le disjoncteur ultra-rapide assure, outre la connexion, la protection de l’équipement. La précharge du condensateur de filtrage peut être soit série, soit parallèle (figure 6). La précharge série garantit un meilleur isolement de l’équipement qui ne repose que sur le disjoncteur principal. Avec une précharge parallèle, le contacteur de précharge est dimensionné uniquement en tension ; le courant maximal est, dans ce cas, 100 fois plus faible. Figure 5 – Comparaison des fonctionnements des équipements à contacteurs et à hacheurs 3.2.2 Fonctionnement en traction Les évolutions des différents paramètres sont représentées sur la figure 7. La traction se décompose en : — montée en accélération ➀ ; — démarrage ➁ ; — fonctionnement à puissance constante ➂ ; — fonctionnement en caractéristiques naturelles ➃ ; — fonctionnement à puissance réduite (figure 5b). ■ Montée en accélération : pour le confort des voyageurs, le jerk est contrôlé. Il varie de 0,5 à 1,2 m /s 2 selon les réseaux et est fixé à 0,6 m / s 2 à la RATP. ■ Démarrage : lors du démarrage, pour dégager au plus vite la station, les motrices doivent fournir un effort maximal, compatible avec une sollicitation de l’adhérence et un confort des voyageurs acceptables. La limitation d’accélération pour le confort des voyageurs (≈ 1,3 m / s 2 ) n’intervient que pour les matériels à roulement sur pneumatiques. Il est, en outre, nécessaire pour les besoins de la régulation des trains de maintenir une accélération sensiblement constante pour les charges normales d’exploitation (train vide jusqu’à la charge nominale, correspondant, pour la RATP, à une densité de 4 voyageurs au mètre carré). ● Fonctionnement normal pour les charges supérieures ou égales à la charge nominale : les régulations agissent pour maintenir un courant induit constant et, par conséquent, un couple moteur D 5 553 − 6 Figure 6 – Types de précharge des filtres constant, en augmentant progressivement la tension aux bornes de l’induit, au fur et à mesure que la force contre-électromotrice croît avec la vitesse. ● Fonctionnement normal pour les charges inférieures à la charge nominale : il existe deux types de régulation : — soit une limitation directe du courant maximal en fonction de la charge ; — soit un démarrage à accélération sensiblement constante en imposant la montée en tension du moteur en un temps minimal fixé ; cette dernière régulation, prenant en compte l’ensemble du train, a l’avantage de compenser automatiquement la perte d’effort en cas de défaillance d’un équipement. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique _____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS ● Fonctionnement en surcouple en situation dégradée (perte d’une partie de la motorisation) : un courant induit supérieur de 10 à 20 % est autorisé de 0 à environ 15 km / h. ■ Fonctionnement à puissance constante : lorsque la tension maximale applicable au moteur est atteinte, le courant induit et la force contre-électromotrice sont maintenus constants par réduction progressive du champ magnétique inducteur. Le couple moteur décroît en 1 / v (v étant la vitesse du train). ■ Fonctionnement en caractéristiques naturelles : le champ minimal compatible avec le bon fonctionnement du moteur étant atteint (risque de flash), le courant induit décroît au fur et à mesure que la force contre-électromotrice croît. Le couple moteur décroît selon les caractéristiques naturelles du moteur. ■ Fonctionnement à puissance réduite : lorsque la consigne demande un couple inférieur au couple maximal possible (pour un fonctionnement à vitesse constante par exemple), les régulations agissent, pour avoir une réduction progressive du courant induit, dans un premier temps par une augmentation du champ, et dans un second temps par une réduction du taux d’ouverture du hacheur. L’ensemble des caractéristiques du moteur peut être ainsi atteint. La plage de fonctionnement correspond à la surface hachurée de la figure 5b. 3.2.3 Fonctionnement en freinage Les équipements à hacheur permettent la réalisation d’un freinage électrique à récupération très efficace (40 % environ de l’énergie peut être récupérée). La plupart des matériels en sont donc équipés. Certains matériels disposent, en plus, d’un frein rhéostatique intervenant lorsque la réceptivité de la ligne est insuffisante. La régulation du frein rhéostatique n’interfère pas dans la régulation de freinage décrite ci-après. Les évolutions des différents paramètres sont représentées sur la figure 8. Le freinage se décompose en plusieurs phases. ■ Amorçage : la tension du moteur devant fonctionner en génératrice est progressivement augmentée pour permettre le freinage. En excitation séparée, la maîtrise du flux permet un contrôle simple de la génératrice. En excitation série, cette phase de fonctionnement est plus délicate : après avoir commuté le circuit de puissance, la génératrice est amorcée à partir du flux rémanent par la mise en court-circuit de l’induit et de l’inducteur. Cet amorçage se fait sans apport d’énergie sur un circuit résistif avec un seuil de tension de quelques volts dû aux semi-conducteurs de puissance (diodes et thyristors). L’amorçage se pratique dès la fin de la traction. ■ Fonctionnement en caractéristiques naturelles et à puissance réduite : la tension génératrice est à sa valeur maximale. Le champ étant minimal, le courant moteur est progressivement augmenté jusqu’à obtention de la tension désirée. Lorsque le courant maximal est atteint, l’augmentation du champ permet de maintenir la tension constante. En excitation séparée, cette dernière peut être supérieure à la tension de ligne. En excitation série, elle est toujours inférieure, pour garantir la stabilité de la génératrice. La différence de tension est appelée tension de garde. ■ Fonctionnement en élévateur de tension : la tension de la génératrice est insuffisante pour permettre la régénération directe ; le hacheur fonctionne en élévateur de tension. ■ Inhibition à basse vitesse : à basse vitesse, pour éviter une perte momentanée du freinage, le couple électrique de freinage est progressivement réduit et le couple mécanique lui est substitué ; cette régression se fait généralement entre 15 et 5 km / h. 3.3 Hacheur à excitation série du MF 77 Les symboles utilisés sur les figures 9 et 10 sont donnés dans le tableau 2. 3.3.1 Hacheur de première génération Figure 7 – Évolution des paramètres en traction Conçu en 1975, le hacheur de première génération comporte deux phases contrôlant chacune un moteur à courant continu type MF 5 d’une puissance de 265 kW (figure 9). La fréquence élémentaire est de 300 Hz. L’entrelacement des phases permet d’avoir une fréquence vue de la ligne de 600 Hz (fréquence peu perturbante). Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 553 − 7 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS _____________________________________________________________________________________________________ est à base de transistors et d’amplificateurs opérationnels. Certaines fonctions de sécurité sont réalisées à base d’amplificateurs magnétiques. 3.3.2 Hacheur de deuxième génération En 1980, dans le but de rendre plus fiables et plus économiques les futurs équipements de traction, un nouvel équipement a été développé à partir des technologies les plus récentes de l’époque : thyristors de forte puissance et logique à microprocesseur (les GTO n’étaient pas encore disponibles). L’équipement (figure 10) fonctionne en traction et en freinage selon le même principe. Il ne comporte plus qu’une phase pour les deux moteurs. L’adoption d’un schéma de type parallèle permet un dimensionnement réduit du contacteur de précharge du filtre (15 A au lieu de 1 050 A). Le nombre de semiconducteurs du hacheur principal est très fortement réduit (6 au lieu de 16 précédemment). La commande des contacteurs de shuntage associée à la régulation du courant par la logique à microprocesseur permet une simplification du schéma tout en conservant la qualité de shuntage continu. Le pont traction-freinage statique est conservé. Les semi-conducteurs utilisés sont élaborés à partir de tranches de silicium de diamètre 68 à 75 mm. Leur tension maximale de fonctionnement est de 2 800 V. La ventilation forcée est conservée. La logique de commande à microprocesseur intègre un système d’aide à la maintenance (§ 2.5.1) : un autotest de la logique et du circuit de puissance permet de localiser la carte électronique ou l’élément de puissance défectueux ; une mémorisation d’événements en cas d’avarie prend en compte les pannes fugitives. Le système anti-enrayeur et anti-patineur est intégré à la logique avec des performances accrues. L’ensemble des évolutions a permis les réductions suivantes : — la masse (de 2 310 à 1 795 kg) ....................................... : 22 % — le volume (de 5 425 à 3 842 dm3) .................................. : 29 % — la surface d’emprise (de 845 à 729 dm2) ...................... : 14 % — le coût ................................................................: environ 30 % 3.4 Hacheur quatre quadrants 3.4.1 Avantages de ce hacheur Figure 8 – Évolution des paramètres en freinage Le freinage électrique est uniquement à récupération avec excitation série de la génératrice. Le pont traction-freinage, le préamorçage de la génératrice dès la fin de la traction et le fonctionnement du hacheur élévateur de tension rendent ce freinage particulièrement efficace. En exploitation, sur la longueur totale d’une ligne de métro, le taux de régénération (énergie restituée-énergie absorbée) est compris entre 40 et 49 %. Les semi-conducteurs utilisés sont élaborés à partir de tranches de silicium de diamètre 35 à 50 mm. Leur tension maximale de fonctionnement est de 1 200 V, ce qui, compte tenu de la tension d’alimentation de la ligne de 750 V, conduit à les apparier. Leur refroidissement est à ventilation forcée. La logique de commande D 5 553 − 8 Le hacheur quatre quadrants est actuellement développé, à partir des nouveaux composants de puissance que sont les GTO (articles Composants semi-conducteurs de puissance [D 3 100] [D 3 110] et Électronique de puissance. Commande des composants actifs [D 3 120] dans ce traité), par les grandes firmes de construction électrique ferroviaire ; on peut citer la société Mitsubishi qui, la première, a développé cette technologie et la société Alsthom qui fournit ce type de hacheur pour les systèmes VAL (Lille), MAGGALY (Lyon) et MI 84B (Paris). Le grand avantage de ce type de schéma est de séparer la commande du champ de celle du courant induit, ce qui permet de supprimer les différents couplages pour le sens de rotation des moteurs et pour le fonctionnement en moteur ou en génératrice, et permet également d’avoir de meilleures performances en freinage. Avant l’arrivée des GTO, cette technique, bien que tout à fait réalisable, n’était économiquement pas viable. En effet, la commande d’un moteur à excitation séparée d’une puissance d’environ 150 kW aurait nécessité, pour alimenter les inducteurs, la mise en œuvre d’un convertisseur de puissance de l’ordre de 10 kW, ce qui, avec les techniques antérieures, était d’un coût prohibitif. En outre, la régulation du courant d’excitation aurait dû être très fine pour garder la stabilité du moteur, rendant ainsi la commande plus complexe. (0) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique _____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Tableau 2 – Symboles des schémas des systèmes hacheurs Appareils électromécaniques DJ TR DJ M C DC FL C PC FL C SH1 (2) J MR M M1, M2 disjoncteur traction disjoncteur moteur contacteur de décharge rapide du filtre contacteur de précharge du filtre contacteurs de shuntage de l’inducteur moteur 1 (2) inverseur du sens de marche moteurs moteur 1, moteur 2 Inductances et condensateurs LF LM L AX IV L AX RT CA FL CA AE R R1 RC inductance de filtre de ligne inductance des moteurs inductance auxiliaire d’inversion inductance auxiliaire de retour condensateur de filtre ligne condensateur d’arrêt résistance de décharge du filtre résistance de décharge rapide résistance de charge du condensateur d’arrêt Hacheur du courant TY MR TY AE TY IV TY RT DRL thyristor de marche thyristor d’arrêt thyristor d’inversion thyristor de retour diode de roue libre Pont traction freinage TY TR M TY FR M D TR M D FR M thyristor traction moteur thyristor freinage moteur diode traction moteur diode freinage moteur Shuntage (première génération) TY SH TR TY SH FR D SH TR D SH FR thyristor de shuntage traction thyristor de shuntage freinage diode de shuntage traction diode de shuntage freinage Figure 9 – Hacheur de première génération du matériel MF 77 : schéma Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 553 − 9 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS _____________________________________________________________________________________________________ 3.4.2 Structure et fonctionnement Les phases de conduction du GTO et de roue libre ou de récupération en traction et en freinage sont représentées sur la figure 12. Selon la tension et selon le niveau souhaité lors de l’avarie d’un équipement (isolement d’un bogie ou d’une motrice), le schéma diffère. Les équipements se composent de la connexion à la ligne (filtre LC ), du hacheur principal et du hacheur d’excitation (figure 11). ■ Le hacheur d’excitation fonctionne également à fréquence fixe. Les phases de conduction et de roue libre sont représentées sur la figure 13. Le pont complet assure la commutation traction-freinage et la sélection du sens de marche. En marche avant, les GTO 1 et GTO 4 fonctionnent en traction et les GTO 2 et GTO 3 en freinage. En marche arrière, le fonctionnement est inversé. La phase de roue libre peut être réalisée soit par conduction du GTO 4 (régulation Mitsubishi), soit par blocage du pont et retour du courant sur la ligne à travers une diode mise en parallèle sur l’inductance du filtre (régulation Alsthom). ■ Le hacheur principal réalise le contrôle du courant d’induit à fréquence fixe en faisant varier le taux d’ouverture de 0,02 à environ 0,92 ; cette dernière valeur est fixée par le temps de blocage minimal du GTO (de l’ordre de 100 µs) ; lorsque l’ouverture maximale est atteinte, le hacheur passe en conduction continue. Le changement de configuration traction-freinage est effectué par le contacteur traction-freinage CTF qui est fermé en traction et ouvert en freinage. ■ Éventuellement, on peut ajouter un rhéostat de freinage pour conserver le freinage électrique quand la réceptivité de la ligne est insuffisante. Dans ce cas, tout ou partie du courant est dérivé sur le rhéostat par l’intermédiaire d’un GTO. Figure 10 – Hacheur de deuxième génération du matériel MF 77 : schéma Figure 11 – Hacheurs quatre quadrants : schémas de principe pour une alimentation en continu de 750 V D 5 553 − 10 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique _____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Figure 13 – Fonctionnement du hacheur d’excitation quatre quadrants : en traction marche avant ou freinage marche arrière pour une alimentation en continu de 750 V 3.4.3 Réalisations Les premiers équipements à hacheur quatre quadrants ont été développés au Japon en 1982. À partir de 1986, le métro de Barcelone a mis en service 24 trains de 4 motrices équipées de ce type de hacheur (fabrication Mitsubishi). En France, le VAL de Lille (à partir de 1987) et le matériel MI84B (tableau 3) de la RATP (à partir de 1988) ont été équipés d’un hacheur de ce type (fabrication Alsthom). Les équipements (72) du Maggali de Lyon ont été délivrés en avril 1989. (0) Figure 12 – Fonctionnement du hacheur principal quatre quadrants pour une alimentation en continu de 750 V Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 553 − 11 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS _____________________________________________________________________________________________________ Tableau 3 – Équipement hacheur du type quatre quadrants du MI 84B de la RATP Moteurs — puissance en régime continu............ : 349 kW (1 320 tr / min) — ventilation ............................................. : autoventilé — vitesse maximale................................. : 3 045 tr / min Masse .......................................................... : 2 055 kg Équipement ■ connexion à la ligne ........... — précharge ............................................. : parallèle — disjoncteur ........................................... : 1 000 A 30 kA de pouvoir de coupure ■ hacheur principal............ — fréquence ............................................. : 300 Hz — courant commuté................................ : 850 A — 1 GTO (4 500 V-2 000 A) et 3 diodes sur un panneau à fluide caloporteur du type SMF (§ 2.4) ■ hacheur d’excitation ...... — fréquence ............................................. : 600 Hz — courant commuté................................ : 40 A — 8 GTO (2 500 V – 300 A) et leurs diodes sur 2 panneaux radiants isolés ■ appareillage — logique de commande........................ : à microprocesseur — appareillage ......................................... : électromécanique Masse totale (hors logique) ..................... : 800 kg Inductances — inductance de lissage ........................ : 4,6 mH ; 850 A — inductance de filtre............................. : 6,9 mH ; 850 A intégrées dans le bloc transformateur 4. Équipements de contrôle des moteurs asynchrones 4.1 Utilisation des moteurs asynchrones avec et R inductance de fuites et résistance ramenées au stator, p nombre de paires de pôles, ∆f = g fs = (ω s – ω m) / 2 π, ωm vitesse angulaire mécanique, ωs pulsation du stator. Sachant qu’aux chutes de tension statoriques près : Φ ≈ U/ ω s 3 il vient : C ≈ (3 p · 2π / R ) Φ 2 ∆f = K Φ 2 ∆f avec K constante spécifique du moteur. 4.1.2 Comportement en cas de variation de vitesse Lorsque l’adhérence est insuffisante pour le couple demandé, les roues motrices peuvent être l’objet d’un patinage en traction ou d’un enrayage en freinage. Par sa caractéristique, le moteur asynchrone a un comportement idéal dans cette situation. En effet, la zone d’utilisation de la caractéristique permet une réduction naturelle du couple. En fait, il ne faut pas raisonner uniquement au niveau du moteur, mais prendre en considération l’ensemble du système qui comprend, en amont, l’équipement de contrôle avec ses régulations et, en aval, le réducteur et la roue. Pour profiter des caractéristiques naturelles du moteur asynchrone (figure 14), il faut autoriser une certaine variation du glissement, ce qui n’est possible que sous certaines conditions : — avoir une régulation unique pour le groupe de moteurs ; — réguler sur le couple nominal ou le couple maximal ; — admettre un report de couple d’un moteur sur les autres moteurs et donc un surdimensionnement. Pour limiter les écarts de couple, il est nécessaire de : — limiter le nombre de moteurs pilotés par une même régulation (jusqu’à 4, l’optimum étant de 2) ; — maintenir un système d’anti-patinage et d’anti-enrayage ; — contrôler les écarts de diamètre de roue (le choix actuel de la RATP est de 3 mm pour une roue de 850 mm). 4.1.1 Utilisation des caractéristiques En traction ferroviaire, le moteur doit pouvoir fonctionner à toutes les vitesses comprises entre 0 et la vitesse maximale du matériel, et fournir un couple adapté à la demande du conducteur ou de l’automatisme de conduite. L’utilisation d’un onduleur permet, en agissant sur la fréquence f et la tension d’alimentation U, de fonctionner avec un faible glissement g en contrôlant en permanence la vitesse de rotation du moteur (figure 15). L’asservissement des moteurs est réalisé à partir des mesures de flux Φ et de vitesse. Dans la zone de fonctionnement à faible variation 2 de glissement, en négligeant 2 ω s g 2 devant R 2, on peut représenter le couple C par la formule simplifiée suivante (articles Machines asynchrones. Régimes quelconques [D 3 160] et Machines asynchrones. Régimes permanents [D 3 480]) : U2 p g C = --------------------ωs R U 2 p ⋅ 2π ∆f C = --------------------------------2 ωs R D 5 553 − 12 4.2 Phases de fonctionnement 4.2.1 Fonctionnement en traction ■ Démarrage : les impératifs de démarrage étant les mêmes que pour les moteurs à courant continu (§ 3.2.2), nous avons, en traction asynchrone, des régulations identiques. En ce qui concerne la commande directe des moteurs (figure 15), on obtient le fonctionnement à couple constant en maintenant le flux constant. Le courant statorique est constant. La tension du moteur et la fréquence croissent avec la vitesse. ■ Fonctionnement à puissance constante : dans cette phase, comme pour le moteur à courant continu, le moteur est maintenu à sa puissance maximale, sa tension ayant atteint sa valeur nominale. Le flux statorique se réduit progressivement en raison inverse de la vitesse. Le courant statorique et le glissement restent sensiblement constants. ■ Fonctionnement à puissance réduite : de même que pour les hacheurs, les onduleurs peuvent fonctionner dans toute l’aire délimitée par les caractéristiques maximales. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique _____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS 4.3 Choix du type de convertisseur Il existe deux types de réalisation pour les équipements asynchrones : l’onduleur de tension et l’onduleur de courant. L’onduleur de courant impose une tension d’entrée continue variable pour réaliser, au démarrage, la condition U / f = Cte L’onduleur est donc précédé d’un hacheur de courant délivrant une tension intermédiaire variable. L’onduleur de tension est directement connecté au filtre d’entrée. En revanche, l’extinction des différentes branches est forcée et la commande est plus complexe. On peut argumenter sur les avantages respectifs des différents schémas, mais le critère de base reste, à performances sensiblement équivalentes, le coût. Ce dernier est étroitement lié à la technologie et certains choix peuvent être remis en question avec l’évolution de celle-ci. Avant l’arrivée des GTO et des logiques à microprocesseur, la technique de l’onduleur de tension, prometteuse dans son principe, s’avérait économiquement peu viable bien que tout à fait réalisable. La RATP a testé et mis en service dès 1982 une motrice prototype du type MF 67. Figure 14 – Caractéristique réelle du moteur asynchrone de la motrice prototype RATP M10 024, type MF 67 Le convertisseur à onduleur de tension est encore limité par la puissance et la tenue en tension des GTO, mais son application s’étend progressivement à toute la gamme de puissance. Les onduleurs de courant sont actuellement bien adaptés aux matériels RER bicourant alimentés en 1 500 V (courant continu) /25 000 V (courant alternatif) mais ne donnent plus lieu à développement. 4.4 Mise en parallèle des moteurs Comme nous l’avons vu au paragraphe 4.1.2, la réalisation du réseau triphasé de puissance alimentant les moteurs représente une part très importante du coût de la chaîne de traction. On souhaite donc, dans la limite des puissances admissibles, limiter cette fourniture en alimentant plusieurs moteurs en parallèle. Les moteurs ainsi couplés sont liés entre eux, d’une part, par la fréquence d’alimentation et, d’autre part, par la voie. Toute variation de la vitesse d’un essieu du fait d’une différence de diamètre de roue ou d’adhérence agit directement sur le glissement, et donc sur le couple. Cela a pour conséquence un déséquilibre des efforts entre les moteurs qu’il est nécessaire de limiter. La mise en parallèle de moteurs impose donc de garder des tolérances serrées sur les diamètres de roue (§ 4.1.2) et une détection de patinage pour chaque moteur afin d’éviter une surcharge trop importante. Il faut tenir compte dans le dimensionnement des moteurs de ces variations de couple. Il est évident que plus le nombre de moteurs en parallèle est important, plus les contraintes d’exploitation sont fortes. La mise en parallèle de deux moteurs d’un même bogie semble être un bon compromis. Cette solution, testée sur une motrice prototype du type MF 77 de la RATP en 1984, est tout à fait satisfaisante. Figure 15 – Fonctionnement du moteur asynchrone en traction 4.2.2 Fonctionnement en freinage 4.5 Onduleur de courant Le passage de la traction au freinage se fait uniquement par contrôle de la fréquence statorique sans qu’il soit nécessaire de modifier le schéma de puissance (figure 14). Pour que l’amorçage en génératrice asynchrone soit possible, il est nécessaire que le flux soit conservé. Cela conduit à passer directement de la traction à un freinage très faible correspondant au courant magnétisant de la génératrice. Le contrôle du couple est similaire à celui qui existe en traction. Nous ne ferons ici qu’un rappel, le fonctionnement détaillé étant décrit dans les articles spécifiques de la rubrique Électronique de puissance du présent traité. Le principe réside dans le transfert successif du courant dans les différentes phases R, S, T de l’induit du moteur asynchrone. L’onduleur, représenté schématiquement sur la figure 16, est alimenté par une source de courant continu U . Les différents interrupteurs, réalisés avec des thyristors, sont actionnés séquentiellement pour créer un champ tournant. Les courants sont représentés par des rectangles et la tension continue d’alimentation Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 553 − 13 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS _____________________________________________________________________________________________________ varie en fonction de la vitesse. Cette tension est délivrée soit par un pont mixte, soit par un hacheur de courant selon le type de réseau d’alimentation. La séquence de fonctionnement est la suivante : les thyristors Th1 et Th2 et les diodes D1 et D2 sont passants, le courant circule dans les phases R et T, le condensateur C 1 est chargé à – U et C 5 à + U. À l’amorçage de Th3, la décharge de C 1 provoque l’extinction de Th1, la conduction se poursuit à travers D 1. Lorsque la tension aux bornes de C 1 s’inverse, D3 commence à conduire. D1 s’arrête de conduire lorsque la tension aux bornes de C 1 atteint + U. Le courant circule dans les phases S et T. Selon le même principe, les thyristors Th4, Th5, Th6, Th1 sont successivement amorcés. À chaque instant, deux thyristors seulement sont dans un état conducteur. Chaque thyristor conduit pendant un tiers de la période. En faisant varier la durée du cycle, on détermine la fréquence de fonctionnement. Ce type de schéma présente l’avantage de la simplicité de conception du convertisseur, qui ne nécessite pas l’utilisation de thyristors rapides. Ceux-ci travaillent, en effet, à la fréquence du moteur (f s < 200 Hz) et la durée des commutations est courte comparativement à la durée du cycle si le moteur est conçu avec une faible impédance de fuite. Comme le montre la figure 16, la commutation peut se réaliser simplement, sans qu’il soit nécessaire de recourir à des thyristors auxiliaires d’extinction. En revanche, ce schéma nécessite un filtre intermédiaire important et, malgré les faibles impédances de phases, des condensateurs de commutation (C 1, ..., C 6) importants. En outre, la commutation des courants en tout ou rien crée différents champs et courants selon la décomposition en série de Fourier des ondes de courant. On distingue : — le courant fondamental de période T qui crée le champ tournant principal ; — les harmoniques de rang 6 n – 1 tournant dans le sens opposé et 6 n + 1 tournant dans le même sens. Ces courants harmoniques sont à l’origine de pulsations du couple moteur qui peuvent être préjudiciables à la tenue mécanique des organes de transmission des efforts. Cela est particulièrement ressenti aux faibles vitesses lorsque les harmoniques sont proches des fréquences de résonance mécanique. Pour éliminer ces pulsations de couple, on réalise un sousdécoupage permettant de supprimer une partie des harmoniques. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, le découpage est modifié pour réduire le plus possible les couples pulsatoires dans la plage de fréquence critique. Ce fonctionnement rend la commande plus complexe. La figure 17 montre le type de découpage réalisé. Réalisations : des équipements asynchrones à onduleurs de courant ont été mis en service : — en 1980, sur le métro de Nuremberg ; — en 1984, à la RATP, sur deux motrices prototypes type MF 77 ; — en 1985, à la SNCF, sur une motrice prototype bicourant à 2 niveaux (Z 8895) ; — de 1988 à 1990, à la SNCF, sur une série de 230 motrices du (0) type bicourant à deux niveaux (tableau 4). Tableau 4 – Équipement asynchrone à onduleur de courant des Z 2N de la SNCF Moteurs — puissance en régime continu ....... : 375 kW à 1 460 tr / min — ventilation ........................................ : forcée — vitesse maximale ............................ : 3 355 tr / min Masse...................................................... : 1 380 kg (soit 460 kg de moins que le moteur à courant continu) Équipement l’ensemble des semi-conducteurs est immergé dans un liquide caloporteur à l’intérieur de 4 enceintes ventilées de 80 kg (2 pour le hacheur et le pont traction-freinage et 2 pour chacun des onduleurs) : — logique de commande ................... : à microprocesseur — appareillage..................................... : électromécanique Masse...................................................... : 1 580 kg (soit 270 kg de plus que le moteur à courant continu) Inductances — inductance de lissage.................... : 5 mH ; 550 A — inductance de filtre ........................ : 9,5 mH ; 850 A Masse des inductances....................... : 2 600 kg Figure 16 – Onduleur de courant : schéma de principe Figure 17 – Sous-découpages réalisés sur l’onduleur de courant pour réduire les harmoniques D 5 553 − 14 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique _____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS 4.6 Onduleur de tension L’onduleur de tension permet la réalisation directe d’une tension alternative proche de la sinusoïde, de tension et de fréquence variables. Ce convertisseur est du type MLI (modulation de largeur d’impulsion). Le rappel des principes de fonctionnement et leur application dans le domaine ferroviaire seront uniquement traités dans ce paragraphe sachant qu’il est possible de se reporter aux articles Onduleurs de tension [D 3 176] [D 3 177] dans la rubrique Électronique de puissance pour un développement plus complet. Le convertisseur (figure 18) est alimenté par une source de tension continue. La pseudo-sinusoïde d’amplitude et de fréquence fixées est réalisée par commutation de la tension à une fréquence plus élevée que la sinusoïde de fréquence f s (figure 19) : — la modulation de l’amplitude (courbe II ) est réalisée en faisant varier la part positive et la part négative de chaque alternance ; — la modulation de fréquence est réalisée en faisant varier le temps de conduction des alternances. La distribution des ordres sur les différents GTO est faite à partir de l’intersection de sinusoïdes de référence et d’un signal triangulaire d’amplitude constante et de fréquence correspondant à la fréquence de commutation (figure 19). Le principe de la modulation d’impulsion montre que plus le rapport entre la fréquence de commutation f c et celle délivrée par l’onduleur f s est élevé, plus le taux d’harmoniques est faible. En pratique, du fait des limitations technologiques des composants et des pertes de commutation, on est amené à limiter la fréquence de commutation à quelques centaines de hertz. Pour limiter les harmoniques, il est nécessaire de synchroniser les deux fréquences pour obtenir une forme d’onde satisfaisante. Pour les alimentations triphasées, les rapports de commutation multiples de trois sont favorables. On est donc amené à modifier la modulation en fonction de l’évolution de la fréquence d’alimentation du moteur. Il faut noter cependant que les problèmes d’harmoniques se posent pour les vitesses basses où l’obtention de rapports de commutation élevés est plus aisée. La figure 20 montre l’évolution de la modulation réalisée sur la motrice prototype M10 024 de la RATP. Réalisations : des équipements asynchrones à onduleurs de tension ont été mis, en service : — en 1982, à la RATP, sur une motrice prototype de type MF 67 ; — en 1982, sur un équipement prototype à thyristors testé au Japon (réseau de Kumamoto) ; — en 1984, où les premiers équipements à GTO apparaissent au Japon, sur plusieurs motrices prototypes (Osaka, Tokyo) ; — en 1987, où l’équipement prototype de MF 67 (RATP) a été remplacé par un équipement de nouvelle génération à GTO ; ce dernier sera monté en série sur les 9 trains MF 88 qui seront mis en service à partir de 1992 (tableau 5). (0) Tableau 5 – Équipement asynchrone à onduleur de tension du MF 88 de la RATP Moteurs — puissance en régime continu: 261 kW (1 891 tr / min) — ventilation.................................: autoventilé — vitesse maximale.....................: 4 005 tr / min Masse ..............................................: 930 kg Équipement ■ connexion à la ligne..................... ■ onduleur ............... ■ appareillage......... — précharge.................................: parallèle — disjoncteur ...............................: 1 000 A ; 30 kA de pouvoir de coupure — courant commuté....................: 1 500 A les 2 GTO (2 500 V ; 2 000 A) et les 2 diodes de roue libre (2 500 V) de chaque bras d’onduleur sont montés sur un panneau SMF — logique de commande............: à microprocesseur — appareillage .............................: électromécanique Masse totale...................................: 1 000 kg Inductances — inductance de filtre LC ...........: 4 mH ; 850 A — masse........................................: 460 kg Figure 18 – Onduleur de tension : schéma de principe Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 553 − 15 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS _____________________________________________________________________________________________________ 5. Évolution des équipements Une étape très importante en matière de technologie a été franchie ces dernières années. La tendance actuelle consiste à consolider cette technologie pour abaisser les coûts de fabrication tout en conservant une fiabilité élevée. Les dix prochaines années devraient permettre de juger de l’intérêt économique des solutions asynchrones ; ce recul est nécessaire pour juger de la fiabilité et de la charge de maintenance sur des séries significatives. La traction asynchrone sera à onduleur de tension avec une commande des GTO plus performante permettant de réduire les harmoniques. La traction continue verra son champ d’application réduit à la modernisation des équipements actuels et aux équipements peu sophistiqués. Les commandes à microprocesseur devraient tendre vers une standardisation du matériel (unités modulaires en technologie CMS communiquant entre elles par un bus standardisé) et du logiciel (langages évolués). La réduction des coûts et des volumes des équipements ainsi que l’amélioration de leur fiabilité devraient réduire l’importance de cette fonction vis-à-vis des autres fonctions train. Figure 19 – Onduleur de tension : principe de découpage Figure 20 – Évolution de la modulation en fonction de la fréquence D 5 553 − 16 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique P O U R Transports électrique urbains Équipements de traction par E N Yves THURIN Ingénieur de l’École Nationale Supérieure des Techniques Avancées Inspecteur Divisionnaire à la Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP) Service du Matériel roulant de la Direction du Réseau ferré Bibliographie LE DUC (J.). – Étude et réalisation de chaînes de traction à moteurs sans collecteurs. Rapport RATP, juil. 1982. BARRAL (A.). – Le moteur synchrone auto-piloté appliqué à la traction et comparé aux autres moteurs. RGCF, mai 1983. COHUAU (J.L.). – Étude et réalisation d’un équipement expérimental de traction, utilisant deux moteurs asynchrones triphasés alimentés par un hacheur commutateur de courant. Mémoire CNAM, fév. 1984. MARCHAND (J.) et BOSCHAT (F.). – Une 2 e génération de hacheurs à la RATP. RGCF, avril 1985. PETIT (G.) et PALAIS (G.). – La transmission asynchrone des automotrices à deux niveaux. RGCF, déc. 1987. Normalisation française (AFNOR) NF C 96-883 4-85 S A V O I R Sélection des circuits intégrés par élimination des défauts de jeunesse : Prescriptions générales. Doc. D 5 553 9 - 1990 P L U S Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Doc. D 5 553 − 1