Evolution des chaînes de traction

Evolution des chaînes de traction 

Intérêt du ferroviaire

Les premières voies ferrées ont été construites dans des mines au 16ième siècle, dans le but de permettre aux hommes et aux chevaux de transporter des charges plus importantes en suivant un parcours imposé. Les deux grandes caractéristiques du ferroviaires sont la résistance à l’avancement réduite, et le guidage. En matière de transport, le rail a un avantage énergétique important par rapport à la route. Globalement, le rail représente en France 2.5% d’énergie consommée pour 10% de passagerkilomètres parcourus. La plupart des grandes lignes sont électrifiées ; l’électricité est principalement produite en France par des centrales nucléaires qui ne rejettent pas de CO2. Pour ces raisons, le transport ferroviaire est, en France, peu producteur de CO2. Par rapport à la voiture et l’avion, le ferroviaire est ainsi non seulement plus économique en terme d’énergie, mais surtout beaucoup moins polluant. Parmi les autres avantages du transport ferroviaire par rapport à la route, les temps de parcours sont réduits, la sécurité et le confort des passagers sont améliorés. Ces avantages étaient plus marqués au début du 20ième siècle qu’aujourd’hui. C’est probablement pour cette raison que d’une part le nombre de kilomètres de voies ferrées a diminué, et que d’autre part la plus grande partie du trafic s’est concentrée sur des axes importants. Il ne subsiste plus en effet que 30000 km de voies ferrées aujourd’hui au lieu de 60000 km en 1900. Cependant, le réseau routier étant bien développé aujourd’hui, on peut penser que les limites de cette évolution sont atteintes [L1]. Parmi les grandes innovations qui ont fait évoluer la traction ferroviaire, il faut citer la machine à vapeur vers 1800, la traction électrique à partir de 1880, et enfin l’électronique de puissance à partir de 1970.

La machine à vapeur 

La machine à vapeur a considérablement augmenté l’effort disponible pour mettre en mouvement les convois. Cela a permis au transport ferroviaire de sortir des mines où il se trouvait confiné. A partir de 1830 a débuté en Europe la construction de voies ferrées pour relier des villes lointaines, transporter des hommes et des marchandises. Cependant, la forte inertie de la machine, la faible puissance massique, la difficulté d’acheminer le charbon, le travail difficile des mécaniciens, les temps de maintenance sont des limites pour la traction à vapeur. La présentation d’un prototype de train électrique en Allemagne en 1880 a fait sensation, mais il a fallu longtemps à l’électricité pour supplanter la vapeur.

Traction électrique ancienne

Du début de la traction électrique, l’absence de convertisseurs de puissance commandés a pratiquement fait de la machine à collecteur à excitation série la seule technologie utilisée commercialement [L2]. Deux solutions ont été trouvées pour alimenter des moteurs de ce type et régler le couple, respectivement à partir d’une caténaire continue et monophasée. A partir d’une caténaire de tension continue basse, de 600 V à 3000 V, le couple peut être réglé par des résistances variables selon le schéma de la Figure 1-1. A partir d’une tension monophasée haute, de l’ordre de 12 kV à 15 kV, le montage en moteur direct permet d’attaquer directement le moteur par une tension monophasée réduite, en utilisant un autotransformateur variable, dit transformateur à gradins ou encore graduateur .

Un avantage de la tension continue était l’indépendance par rapport au réseau industriel triphasé. En effet, les caténaires pouvaient être alimentées par des redresseurs à vapeur de mercure, connectés au réseau industriel. Par rapport au moteur direct, la commande du moteur était aussi plus aisée, et la masse embarqué plus faible, en l’absence de transformateur. Cependant, les pertes et la chaleur à évacuer étaient importantes en raison de la puissance perdue dans les rhéostats, même si des solutions techniques ont été trouvées pour réduire ces pertes. D’autre part, la caténaire devait être dimensionnée en relation avec des courants importants.

Dans le cas de la tension monophasée, le bon fonctionnement du moteur direct nécessitait d’utiliser des fréquences basses pour faciliter la commutation : 16.66 Hz à 25 Hz. Ces fréquences étaient difficiles à obtenir à partir du réseau industriel de 50 Hz. Il était nécessaire d’utiliser des groupes tournant. Cependant, à cette époque l’exploitation des voies ferrées était réalisée par de multiples compagnies disposant parfois de leurs centrales de production électrique fournissant directement la fréquence adéquate. D’autre part, le moteur direct était de construction plus complexe, et n’était performant que pour une vitesse nominale. Le démarrage de trains lourds était plus difficile. A partir des années 1950, les premiers redresseurs embarqués permettent d’alimenter les trains grandes lignes avec une tension monophasée à la fréquence industrielle de 50 Hz, selon le schéma de principe de Figure 1-3, qui combine les avantages des deux solutions antérieures. Les diodes du schéma étaient initialement des ignitrons à vapeur de mercure. Dans les électrifications nouvelles de grandes lignes, le 25 kV-50 Hz a pris le pas sur les autres tensions, avec l’avantage d’un nombre de sous-stations réduites.

Evolution récente de la traction électrique 

A partir de 1970, l’apparition des interrupteurs commandés va permettre les développements qui conduiront aux trains modernes. Appliquée au moteur à collecteur, l’électronique de puissance va permettre un contrôle plus fin du couple, par rapport à toutes les solutions antérieures. En particulier on s’affranchit des ruptures de couple dues aux positions discrètes du graduateur ou du rhéostat. La conséquence est une fiabilité accrue du moteur et de la transmission, un confort et des performances améliorés. Le contrôle de la tension se fait maintenant par un redresseur commandé sous caténaire monophasée, ou bien par un hacheur sous caténaire continue. Etant donné que les interrupteurs commandés permettent de générer la tension souhaitée, y compris polyphasée, la suppression du collecteur devient envisageable, avec l’avantage d’une maintenance réduite. D’autre part, la vitesse périphérique du rotor n’est alors plus limitée. Cela permet de concevoir des moteurs plus petits et plus rapides, pour une puissance équivalente. A partir de 1980, différentes technologies de moteur seront utilisées, asynchrone à cage, synchrone à rotor bobiné, et enfin synchrone à aimants permanent, avec une progression en terme de puissance massique.

Table des matières

Introduction
1 Contexte du projet
1.1 Evolution des chaînes de traction
1.1.1 Intérêt du ferroviaire
1.1.2 La machine à vapeur
1.1.3 Traction électrique ancienne
1.1.4 Evolution récente de la traction électrique
1.1.5 Des équipements de traction plus compacts
1.1.6 Le stockage d’énergie à bord
1.2 Interrupteurs au Carbure de Silicium
1.2.1 Apparition et évolution
1.2.2 Augmenter la fréquence de découpage
1.2.3 Augmenter la fréquence électrique
1.2.4 Plan de l’étude
1.3 Stockage de l’énergie à bord
1.3.1 Fonction d’un stockage embarqué
1.3.2 Technologies de stockage embarqué
1.4 Conception systémique des chaînes de traction
1.4.1 Intérêt d’une conception systémique
1.4.2 Outils pour la conception systémique
1.4.3 Plans d’expériences
1.4.4 Optimisation sous contraintes
1.4.5 Optimisation multi-niveaux
1.5 Conclusion
2 Système de stockage embarqué
2.1 Introduction
2.2 Description du système de stockage existant
2.3 Calcul de la consigne de puissance
2.3.1 Puissance de référence
2.3.2 3 méthodes proposées
2.3.3 Limites du moyen de stockage en puissance et en énergie
2.3.4 Méthode 1, minimisation de l’énergie échangée
2.3.5 Méthode 2, charge et décharge au plus vite
2.3.6 Méthode 3, écrêtage des pics de puissance
2.3.7 Exemple de résultat sur un parcours de tramway
2.4 Maximisation de la rentabilité des systèmes de stockage
2.5 Calcul des ondulations et de la température
2.6 Modèle de dimensionnement des composants
2.7 Optimisation des composants
2.7.1 Description du problème
2.7.2 Présentation des résultats
2.8 Conclusion
3 Chaîne de traction de métro, solution actuelle et solution à l’étude
3.1 Solution actuelle
3.1.1 Dimensions
3.1.2 Performances
3.1.3 Réducteur
3.1.4 Moteur
3.1.5 Schéma de puissance
3.1.6 Bilan masse
3.1.7 Bilan consommation
3.2 Intérêt des interrupteurs à Carbure de Silicium pour la traction ferroviaire
3.2.1 Spécificité des interrupteurs à Carbure de Silicium
3.2.2 Comparaison des pertes d’un pack SiC par rapport à un pack Si de calibre proche
3.3 Choix technologiques pour la nouvelle solution
3.3.1 Type de moteur
3.3.2 Bobinage
3.3.3 Forme des encoches
3.3.4 Type et épaisseur d’isolant
3.3.5 Coefficient de remplissage
3.3.6 Onduleur
3.3.7 Tôle utilisée
3.3.8 Refroidissement du moteur
3.3.9 Radiateur air/huile
3.3.10 Réducteur
Conclusion

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