Transcript Compacts, fiables, efficaces et puissants : les convertisseurs

Accord parfait
Compacts, fiables, efficaces et puissants :
les convertisseurs de traction ABB se plient
aux exigences de tous les types d’engin ferroviaire
HARALD HEPP – Les moteurs électriques des véhicules
ferroviaires modernes sont commandés et alimentés par
des convertisseurs de traction à IGBT. ABB, l’un des
principaux fabricants de semi-conducteurs de puissance,
propose un très large éventail de systèmes et d'applications à électronique de puissance. En particulier, ses
variateurs couvrent tous les usages et gammes de
puissance des moteurs industriels. Ces dix dernières
années, ABB a tiré parti d’un savoir-faire unique et
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multiple pour élaborer des convertisseurs de traction
innovants et performants destinés au marché ferroviaire,
avec d’excellents niveaux de rendement énergétique, de
fiabilité, de compacité et de simplicité de maintenance.
Sur le marché mondial, ABB est l’un des très rares
fournisseurs indépendants de convertisseurs de fréquence, voire de chaînes de traction complètes. Sans être un
constructeur ferroviaire, le Groupe fournit les principaux
sous-systèmes d’entraînement électrique.
1 Convertisseur compact BORDLINE de 2,3 MW d’ABB utilisé pour entraîner des
locomotives CoCo triple essieux bisystèmes.
S
i les moteurs de traction électrique des trams, motrices ou
locomotives s’apparentent aux
muscles du corps humain, les
convertisseurs de traction jouent à la fois
le rôle de cœur et de cervelet : le cœur,
parce qu’ils assurent le flux énergétique
(à l’image du flux sanguin) et le cervelet,
parce qu’ils veillent à la coordination sans
heurts et ponctuelle des mouvements au
moyen d’algorithmes de commande très
poussés. Pour revenir au domaine ferroviaire, un convertisseur de traction gère
la multitude de formes d’onde de tension
requises par les moteurs de traction pour
réguler très précisément leur vitesse et
leur couple ainsi que la puissance transmise aux roues ou récupérée lors du freinage du véhicule. Le convertisseur ABB à
haut rendement BORDLINE CC1500_AC
(photo p. 60) est un appareil de dernière
génération qui équipe les rames automotrices à deux niveaux du constructeur
suisse Stadler Rail. Le convertisseur de
traction est le maillon « intelligent » d’une
chaîne qui va de l’alimentation électrique
fournie par la caténaire, du transformateur ou de la génératrice diesel aux moteurs de traction.
Des défis côté moteur . . .
Côté moteur, le convertisseur de traction
reçoit un certain nombre de signaux :
courant de phase, vitesse, température,
etc. Ces valeurs sont combinées aux
signaux de commande transmis par le
conducteur ou le véhicule ferroviaire, qui
spécifient le mode de démarrage, d’accélération ou de freinage du train. Des
algorithmes traitent ces signaux en quelques millisecondes au vu des caractéristiques des moteurs, aux différents régimes de marche (courbe fréquence/
charge). En réalité, la commande de l’entraînement électrique d’un engin ferroviaire est bien plus complexe car elle doit
tenir compte du
patinage des roues
qui évolue selon
les conditions climatiques, la déclivité ainsi que le
degré d’usure de
la voie ferrée et
des roues. Autre
défi de taille : coordonner les différents essieux moteurs du véhicule.
À titre d’exemple,
citons l’effort de
traction exceptionnel développé par les
convertisseurs ABB ➔ 1 lors des essais
sur voie d’une nouvelle locomotive CoCo
multisystème de l’intégrateur espagnol
Construcciones y Auxiliar de Ferrocarriles (CAF). Les algorithmes de protection
comptent parmi les fonctions vitales d’un
entraînement électrique ; en effet, ils sont
la clé de la précision, de la fiabilité et de
la sécurité de la commande, dans tous
les cas possibles et imaginables de dysfonctionnement de la chaîne de traction
complète.
Un des atouts majeurs des convertisseurs de traction ABB est leur plateforme de contrôle-commande modulaire
AC 800PEC [1], probablement la plus
puissante du marché pour les applica-
Si les moteurs de traction
électrique des trams, motrices
ou locomotives s’apparentent
aux muscles du corps humain,
les convertisseurs de traction
jouent à la fois le rôle de cœur
et de cervelet.
tions rapides ➔ 2. Ce contrôleur multiapplicatif est également utilisé par ABB
dans ses convertisseurs pour éoliennes,
ses variateurs de forte puissance, ses
automatismes industriels, ses redresseurs haute puissance, etc. Le logiciel
de l’AC 800PEC offre trois niveaux de
Accord parfait
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2 Plate-forme de contrôle-commande AC 800PEC d’ABB utilisée dans les convertisseurs de
traction ABB.
performance différents pour un très large
éventail de fonctionnalités de contrôlecommande et de communication avec
des temps de cycle allant de la microseconde, voire moins, à la milliseconde.
Le contrôleur est complété de plusieurs
modules d’entrées/sorties de même que
d’outils de développement et de maintenance ➔ 3.
Plusieurs équipes d’ingénieurs ABB, travaillant exclusivement sur les convertisseurs de traction, développent des
configurations matérielles et des modules logiciels pour ces équipements, et
les adaptent aux projets et véhicules des
Les convertisseurs
de traction ABB
intègrent la plateforme de contrôlecommande modulaire AC 800PEC,
probablement la
plus puissante
du marché pour
les applications
rapides.
clients. Comparé à la plupart des logiciels d’application des autres contrôleurs de traction du commerce, celui de
l’AC 800PEC écourte considérablement
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les temps de mise en service des trains.
L’ingénieur chargé de cette tâche ajuste
en temps réel les paramètres et les algorithmes pour garantir des mouvements
sans à-coups et puissants sur toutes les
plages de vitesse et de charge. Souvent,
les intégrateurs et opérateurs ferroviaires sont surpris de la rapidité de mise en
exploitation des nouveaux véhicules
équipés de convertisseurs et de contrôleurs ABB lorsqu’ils sont alimentés et
démarrés pour la première fois.
. . . et côté alimentation
Le train se déplaçant souvent à grande
vitesse, le contact avec la caténaire n’est
pas parfaitement stable. Par conséquent,
le convertisseur doit compenser les fluctuations de la tension d’alimentation.
Dans les réseaux électriques faibles que
l’on retrouve, par exemple, dans certaines régions de l’Inde, l’adaptation aux
tensions fluctuantes pose un défi encore
plus grand.
La commande du convertisseur de traction doit non seulement optimiser les formes d’onde de tension fournies aux moteurs, mais également veiller à ce que la
chaîne de traction ne soit pas source de
perturbations, d’oscillations ou de pollution harmonique côté alimentation. Dans
les véhicules diesel-électrique, la commande du convertisseur doit minimiser
les distorsions de la forme d’onde du générateur afin de réduire l’usure et d’optimiser le rendement énergétique. Pour les
trains électriques, cette commande côté
alimentation joue un rôle encore plus important sur le plan de la sécurité en évitant les interférences avec les systèmes
de signalisation. Dans certains réseaux
3 Baie de commande du BORDLINE
CC1500_AC équipée du contrôleur AC
800PEC, de conception sobre et soignée.
4 ABB a adapté le logiciel de commande du train suisse FLIRT de Stadler Rail pour une campagne d’essais en Norvège.
évoqués plus haut, des convertisseurs
de traction performants peuvent même
avoir une action stabilisatrice sur le niveau et la forme d’onde de la tension
d’alimentation.
Pour illustrer notre propos, citons les
règles retenues pour le réseau ferré norvégien 15 kV/16 2/3 Hz. Le gestionnaire
norvégien des infrastructures, Jernbaneverket, exige un mode d’amortissement
spécifique des oscillations basse fréquence qui surviennent dans les trains
circulant sur des tronçons longues distances du réseau et la régulation des
petites centrales hydrauliques qui alimentent ces lignes. Grâce à leur puissant
langage de programmation, les convertisseurs de traction ABB ont plus que
satisfait à cette double exigence en
adaptant tout simplement un logiciel mis
en œuvre dans des convertisseurs destinés à des trains en Suisse. Une campagne d’essais en Norvège sur un train
régional suisse FLIRT de Stadler Rail a
convaincu les chemins de fer nationaux
norvégiens NSB. Aujourd’hui, ces derniers ont commandé à ABB 300 convertisseurs compacts BORDLINE CC750 et
150 transformateurs de traction ➔ 4.
Un convertisseur universel
Dans la plupart des projets de matériel
roulant, la conception du véhicule impose
d’épineuses contraintes d’encombrement
aux convertisseurs, transformateurs et
moteurs de traction. L’extrême compacité et la légèreté des équipements ABB
confèrent plus de liberté aux concepteurs des véhicules. En principe, les
convertisseurs et transformateurs de
traction peuvent être montés en armoire
(photo p. 60), sous la caisse ➔ 5 ou en
toiture ➔ 6. Qui plus est, la conception
du convertisseur de traction peut également réduire considérablement la taille et
la masse du transformateur.
Quel est le secret de la compacité et de
la puissance massique des convertisseurs de traction ABB ? Un refroidissement liquide interne, une conception
modulaire ingénieuse et des enveloppes
en aluminium ou acier inoxydable soigneusement élaborées. Les exigences
draconiennes de robustesse nécessitent
des compétences multidisciplinaires :
choix et traitement des matériaux, procédés de soudage et de rivetage, analyse
par la méthode des éléments finis, technologie de refroidissement, etc. ABB y a
recours pour réduire la masse des équipements de traction ferroviaire.
Comparé à la plupart des logiciels
d’application des
autres contrôleurs
de traction du
commerce, celui
de l’AC 800PEC
écourte considérablement les
temps de mise en
service des trains.
Ainsi, par exemple, le refroidissement
liquide interne des convertisseurs de
traction est une technologie qu’ABB a
soigneusement développée et optimisée
au cours des dix dernières années. Elle
procure de nombreux avantages, notamment une répartition très uniforme de la
température dans toutes les parties du
convertisseur, qui allonge la durée de vie
des semi-conducteurs de puissance. Les
modules de puissance sont tellement
compacts et légers qu’une seule personne suffit pour les manipuler. Le
convertisseur ne nécessite aucune source de refroidissement externe (ventilation
ou autre) ; l’électronique de commande
et les modules de puissance peuvent
être rendus totalement étanches à la
poussière, à l’encrassement et à l’humidité.
Accord parfait
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5 Convertisseur sous caisse
CA
CC
Disjoncteur
Transformateur
Contacteurs
Convertisseur
MAS
de
traction
Bus CC
Convertisseur
réseau 4Q
MAS
Limiteur
de
tension
Auxiliaire 2
(option)
Voie ferrée
Auxiliaire 1
BORDLINE® CC750 MS
5a Puissant convertisseur ABB multisystème à monter sous la caisse
des véhicules circulant sur voies étroites.
ABB fabrique
des variateurs et
convertisseurs
électroniques
basse et moyenne
tension pour tous
les types d’application.
5b Schéma unifilaire du convertisseur
Projets de rénovation
Dans les projets de rénovation, l’intégration des convertisseurs de traction dans
des véhicules existants est une tâche
encore plus ardue car toutes les interfaces – système de contrôle-comman de
du train, alimentation électrique, moteurs, circuit de refroidissement, espace
disponible, fixations et raccordements –
sont prédéfinies. Pour autant, ces projets complexes peuvent se révéler très
rentables à condition que le fournisseur
soit apte à proposer une puissante plateforme modulaire, une assistance technique et une réelle maîtrise de la gestion
de projet. À titre d’exemple, citons le
programme de rénovation des trains à
grande vitesse allemands ICE1 avec des
convertisseurs ABB (cf. p. 76).
Trains multisystèmes pour trajets
transfrontaliers
De nos jours, un nombre croissant de
véhicules ferroviaires doit pouvoir fonctionner sous plusieurs systèmes d’électrification : trajets transfrontaliers sur
lignes électrifiées en alternatif ou en
continu, circulation combinée sur réseaux de transport urbain et grandes
lignes. Gérer différentes tensions d’alimentation pose un défi technique
particulier aux chaînes de traction. ABB
a imaginé plusieurs solutions ingénieuses et polyvalentes pour ces trains multisystèmes.
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Chargeur
de batterie
Premier exemple, l’opérateur Treni Regionali Ticino Lombardia (TILO), filiale
des Chemins de Fer Fédéraux suisses
(CFF) qui exploite des dessertes régionales entre la Suisse (15 kV alternatif,
16 2/3 Hz) et l’Italie (3 kV continu). Entre
2005 et 2009, TILO a commandé 31
trains FLIRT (3 MW) à Stadler Rail. Ces
engins, capables de passer d’un réseau
à l’autre sans s’arrêter, embarquent des
convertisseurs compacts et un transformateur conçu par ABB Sécheron. Les
dimensions et la plupart des modules
correspondent à la version exclusivement alternative que les CFF ont achetée
pour plus de 80 trains suisses depuis
2002. CFF et TILO récoltent ainsi les
fruits d’une gestion optimale de la maintenance et des pièces détachées tout en
réduisant le coût total de leur matériel
roulant. Ce choix de la solution de traction multisystème ABB met en évidence
la satisfaction des CFF. Elle fut également commandée par l’opérateur italien
Südtiroler Transportstrukturen en 2007
pour 8 trains circulant entre l’Italie et
l’Autriche (15 kV alternatif).
Pour des raisons historiques, la ligne de
montagne de l’opérateur suisse Rhätische Bahn (RhB) fonctionne sous différentes tensions. Alors qu’une grande partie
du trajet est alimentée en 11 kV/16 2/3 Hz,
le tronçon qui traverse le Col de la Bernina (inscrit au patrimoine mondial de
6 Convertisseurs compacts BORDLINE® à monter en toiture des tramways et trains régionaux circulant sur lignes à voie étroite.
Les convertisseurs compacts BORDLINE®
d’ABB, montés en toiture, sont des exemples
de sous-systèmes à électronique de puissance
complets : ils intègrent deux onduleurs moteurs,
deux sorties pour convertisseurs auxiliaires, un
chargeur de batterie, un hacheur de freinage et
toute l’électronique de commande. Ils sont
destinés aux tramways et trains régionaux circulant sur lignes à voie étroite et alimentés en 600
à 1 500 VCC. Ils se caractérisent par des
interfaces mécaniques, électriques et logiques
adaptables ainsi qu’une masse et un encombrement très faibles. Ces convertisseurs de toiture
ont déjà été vendus à plusieurs opérateurs
6a Convertisseur compact BORDLINE® pour tramways
Convertisseur BORDLINE CC750 pour
automotrices. À ce jour, Stadler Rail a acheté
plus de 2 500 convertisseurs de ce type pour
ses trains FLIRT et GTW.
l’UNESCO), une des voies à adhérence à
déclivité très forte (7 %), est électrifié en
1 kV continu.
Début 2010, les premiers trains de montagne puissants bisystèmes de Stadler
Rail, baptisés « Allegra », débutèrent leur
exploitation commerciale au terme d’une
campagne d’essais probante de 6 mois.
Pour ces trains circulant sur voie étroite,
ABB a développé une solution compacte
ferroviaires en Suisse (Bâle, Berne-Soleure,
région de Lausanne, agglomération de Zurich),
Allemagne (Bochum, Mainz, Munich, Nuremberg,
Postdam), Autriche (Graz), Chine (Changchun),
France (Lyon) et Norvège (Bergen).
6b Convertisseur compact monté en toiture des rames automotrices
circulant sur lignes à voie étroite.
à monter sous caisse. L’ensemble est
logé dans une armoire très robuste qui
regroupe 2 convertisseurs de traction de
350 kW, des convertisseurs auxiliaires à
isolation galvanique et un chargeur de
batterie. Chaque train est équipé de 4
convertisseurs compacts BORDLINE et
de 2 transformateurs de traction LOT1250
montés sous caisse et conçus par ABB
Sécheron. La livraison des 60 convertisseurs et des 30 transformateurs se poursuivra au deuxième semestre 2010.
Un acteur à part du marché ferroviaire
ABB fabrique des variateurs et convertisseurs électroniques basse tension et
moyenne tension pour tous les types
d’application : propulsion marine, souffleries géantes, moteurs industriels de
différentes puissances. Ces équipements
procurent d’énormes économies d’énergie, renforcent l’automatisation, améliorent la qualité des procédés et réduisent
l’usure mécanique. L’électronique de
puissance permet d’injecter l’électricité
d’origine éolienne ou photovoltaïque
dans les réseaux électriques ou de stabiliser ces derniers. Les progrès continus
accomplis dans ces domaines bénéficient également de la place unique
qu’occupe ABB sur le marché des semiconducteurs de puissance.
De plus en plus de constructeurs et d’exploitants ferroviaires s’équipent en systè-
mes d’entraînement ABB, même ceux
qui produisent en interne quelques
convertisseurs. Les clients d’ABB ont le
choix entre acheter uniquement les
composants individuels aux spécifications requises ou commander des chaînes de traction complètes, optimisées
en termes de rendement énergétique et
de coût. ABB laisse au constructeur
ferroviaire le soin de spécifier l’application et d’intégrer le système. Toutefois,
pour réaliser des économies d’échelle,
ABB peut optimiser et standardiser ses
produits au niveau des sous-systèmes et
des modules.
Harald Hepp
ABB Automation Products, Traction Converters
ABB Switzerland Ltd.
Turgi (Suisse)
[email protected]
Bibliographie
[1] Johansen, E., « Flots de conception – Coconception de la plate-forme de contrôle-commande
avancé AC 800PEC », Revue ABB, 2/2006,
p. 62–65.
Lecture complémentaire
Hepp, H., Cavalcante, F., Biller, P., « Sur les voies
de la performance – L’équipement électrique ABB
agrémente les voyages en train », Revue ABB,
2/2008, p. 25–29.
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