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Évolution technologique dans la traction ferroviaire électrique
Le développement de la traction ferroviaire dans les différents aspects qu’on peut considérer, performance, fiabilité, et sécurité est le fruit des évolutions technologiques dans les différents éléments la constituants, du changement successif dans l’électrification des lignes, de l’apparition de l’électronique embarquée en passant par les avancées considérables faites sur les moteurs de traction et l’électronique de puissance. Plusieurs ouvrages et articles ont été consacrés à cette évolution [All 08, Deb 10, Lac 01, Lac 05, Duf 03,Smi 01,Bat 09,Lee 10,Kos 10,Mer 10,Uzu 11]. Dans ce qui suit, un aperçu sur les progrès effectués et les futures tendances dans l’électrification des lignes d’alimentation, des moteurs de traction et de l’électronique de puissance sera donné.
Dans les années 1930, des tentatives d’utilisation d’installations à courant alternatif monophasé à fréquence industrielle 50Hz ont été effectuées en Hongrie, puis en Allemagne. Les limites de l’électrification à basse tension à courant continu ont conduit la France à la fin des années 1950 à adopter la tension monophasée à fréquence industrielle. La première ligne exploitée est la transversale Nord-Est, Valenciennes – Thionville. La percée du courant alternatif à fréquence standard a été confortée par l’évolution faite dans le domaine de l’électronique de puissance. Depuis, la tension alternative de 25kV , 50Hz s’est imposée en Europe pour devenir le standard dans les nouvelles lignes, particulièrement les lignes à grande vitesse (LGV). Avec la multiplication des tensions utilisées dans une même région, des locomotives multi-tensions ont vu le jour. La première locomotive européenne bicourant (1500V continu et 25kV 50Hz), la BB 22000 a été livrée par Alstom et MTE à la SNCF à la fin de l’année 1976. Avec l’extension des interconnexions entre les différents réseaux ferroviaires, les nouveaux systèmes de traction électrique ont été amenés à supporter de plus en plus les différentes alimentations. La tendance actuelle pour les LGV est l’utilisation de l’alimentation 2×25kV (fig. 1.2). Des sous-stations avec transformateur 50kV avec un point milieu alimente la caténaire avec le +25kV , le feeder avec le −25kV , et le point milieu au potentiel du rail qui est mis à la terre. La tension entre la caténaire et le feeder est de 50kV mais l’alimentation du train reste toujours à +25kV . Cela permet d’une part, de réduire les pertes par effet Joule et le nombre de sous-stations en utilisant des autotransformateurs à des intervalles réguliers entre deux sous-stations. D’autre part, cette technique d’alimentation réduit les interférences électromagnétiques grâce à l’opposition de phase entre la caténaire et le feeder. La SNCF a eu recours à cette variante de l’alimentation 25kV 50Hz pour la première fois sur la ligne du TGV Sud-Est en 1981 [Pro 09].
Moteurs de traction
La traction électrique a subit des changements considérables tous au long de son développement. Du début et jusqu’à il y a moins d’une trentaine d’années, le moteur à commutation a été largement utilisé. Alimenté par une source de tension continue variable ou par une source de tension monophasée alternative variable à basse fréquence, généralement du 16 2/3Hz, son rendement a été faible à cause des contrôles. Cette solution a été utilisée jusqu’à l’apparition des convertisseurs statiques dès le début des années 1970 avec le développement des diodes et des thyristors de puissance. L’évolution grandissante dans le domaine de l’électronique de puissance et de l’électronique de commande ont permis d’améliorer l’efficacité de la traction électrique en remplaçant les convertisseurs électromécaniques par des convertisseurs statiques et par la suite les moteurs à courant continu par des moteurs à courant alternatif triphasé. Deux solutions ont alors été envisagées :
• Le moteur synchrone à rotor bobiné s’est alors imposé comme choix en France par rapport au moteur asynchrone essentiellement à cause de la simplicité des onduleurs de courant à thyristors utilisés pour leur alimentation. Comparativement aux onduleurs de tension pour les moteurs asynchrones, les onduleurs utilisés pour les moteurs synchrones ne nécessitent pas de circuits auxiliaires d’extinction des thyristors. Le moteur synchrone a été alors utilisé dès 1988 dans la locomotive BB26000 et le TGV de seconde génération Atlantique. Le moteur synchrone bobiné avait alors les avantages suivant :
– Plus simple et plus léger ;
– Facteur de puissance plus important, supérieur à 0, 95 ;
– Couple de démarrage élevé ;
– Onduleur ne nécessitant pas de circuits auxiliaires d’extinction ;
– Absence de collecteurs.
• Le moteur asynchrone a été choisi dans le reste de l’Europe. Les premières études sur son utilisation dans la traction ont commencé dès l’année 1965 essentiellement en Allemagne. La Deutsche Bahn a mis en service en 1979, la première locomotive universelle E120 class utilisant des moteurs asynchrones. En 1985, la machine asynchrone commence à être utilisée sur le prototype de train à grande vitesse InterCity Experimental (ICE) dont la technologie va être exploitée dés l’année 1991 avec la mise en service de la première génération de l’InterCity Experss ICE1.
Grâce à sa robustesse, son faible coût de fabrication et d’entretien, de sa puissance massique élevée et surtout avec le développement rapide qu’a connu l’électronique de puissance et l’apparition des thyristors GTO (Gate Turn-Off Thyristor) dès le début des années 1990, le choix de l’utilisation des moteurs asynchrones en traction électrique a été conforté et s’est rapidement imposé. Ainsi, le train Japonais à grande vitesse Shinkansen passe à la motorisation asynchrone dans la série 300 dans l’année 1992 avec l’utilisation de thyristors GTO. Cette tendance s’est imposée alors dès l’année 1995 avec l’Eurostar et maintenant sur le TGV POS et la génération Dasye du TGV Duplex, avec l’utilisation d’IGBT. La tendance actuelle est l’utilisation de moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM : Permanent Magnet Synchronous Motor). Les PMSM ont les avantages suivants par rapport aux moteurs asynchrones :
• Plus compacts, ils occupent moins d’espace d’où la possibilité donnée de les intégrer au plus près des roues, bogies … ;
• Un meilleur rendement (98% au lieu de 96 − 97% pour les moteurs à induction traditionnels).
• Rapport puissance poids supérieur à 1kW/kg.
• Moteurs totalement fermés d’où une réduction du bruit et des coûts de maintenance.
• Auto-ventilation contrairement à la ventilation forcée nécessaire pour les moteurs asynchrones.
Les moteurs synchrones à aimants permanents ont commencé à être utilisés dans la petite traction. La première application dans le domaine ferroviaire s’est faite en 2000 avec l’utilisation des moteurs roue d’une puissance de 65kW sur le VAL208 [Deb 10] avant de se propager dans la grande traction particulièrement dans les trains à grande vitesse. Comme exemple, on peut citer entre autres, le successeur du TGV, l’AGV (Automotrice à Grande Vitesse), et la nouvelle génération du Shinkansen. Le tableau 1.2 montre l’évolution technologique effectuée dans les moteurs de traction des trains à grande vitesse qui a permis de diminuer le poids, le volume et ainsi augmenter le rapport puissance/poids pour dépasser le 1kW/kg avec l’utilisation des PMSM. En comparant l’AGV au TGV, l’utilisation de moteurs PMSM dont le rapport puissance/poids est supérieur à 1kW/kg et dont le rendement est de 98%, peut permettre une réduction de 6 à 7% de l’énergie consommée [Bri 08]. L’effet de la réduction de la consommation grâce à l’utilisation de PMSM a aussi été mise en évidence dans l’étude [Kaw 10] où des essais effectués sur un métro de Tokyo comportant deux bogies moteurs asynchrones et un bogie moteurs synchrones, ont montré une diminution de la consommation d’énergie de 12, 5% en traction obtenue grâce à ces moteurs.
Composants de puissance
Comme on l’a vu précédemment, l’électronique de puissance a joué un rôle très important dans l’évolution de la traction ferroviaire électrique. Depuis l’arrivée des diodes à la fin des années 1950 et des thyristors de puissance au début des années 1970, la réduction du poids des équipements et l’augmentation des vitesses d’exploitation des trains n’ont cessé de s’améliorer. Avant l’utilisation des composants de l’électronique de puissance, les moteurs à collecteur étaient commandés par la variation de leur tension d’alimentation par des commutateurs mécaniques et des rhéostats (résistance variable) pour l’alimentation continue ou par des transformateurs variables pour une alimentation à courant alternatif monophasé. Les variations se faisaient alors par cran, ce qui introduit des à-coups de couple qui diminuent considérablement l’adhérence entre les roues et le rail. D’un point de vue énergétique, le système avait une faible efficacité énergétique due aux importantes pertes résistives aux basses vitesses. Les diodes et thyristors de puissance ont permis par la suite, d’intégrer les convertisseurs dans les locomotives et ainsi d’augmenter l’efficacité du système et de réduire son poids, d’introduire l’alimentation monophasée à fréquence industrielle. L’évolution rapide des thyristors de forte puissance a permis alors le passage des moteurs à courant continu aux moteurs triphasés synchrones et asynchrones. Au début des années 1990, les thyristors GTO (Gate Turn-Off Thyristor) qui sont commandables à l’amorçage mais aussi au blocage ont simplifié les structures des onduleurs de tension et leurs circuits auxiliaires pour l’alimentation des moteurs asynchrones. Les systèmes avaient alors de meilleurs facteur de puissance et rapport puissance/poids. Dans les années 2000, c’est le Transistor Bipolaire à Grille Isolée (IGBT) qui a commencé à s’imposer dans la traction ferroviaire. Les IGBT offraient alors des fréquences de commutation plus élevées, de 1 à 2kHz, comparativement aux GTO qui fonctionnaient à une fréquence de 400 à 600Hz, sans oublier la simplification des circuits de commande. Les GTO étant commandables en courant nécessitent des circuits d’aide à la commutation, ce qui n’est pas le cas des IGBT commandables en tension, ce qui se traduit par une réduction significative du poids et de la taille des convertisseurs. L’utilisation de fréquences plus élevées permet d’une part, d’atténuer le problème de CEM et d’autre part, avec des temps de commutation plus rapide, de quelques centaines de nanosecondes, de réduire les pertes par commutation. Au début de leur utilisation, des structures d’onduleurs de tension à trois niveaux s’imposaient vues les tensions admissibles qui n’étaient que de 2 à 3kV . L’évolution rapide de la technologie a permis rapidement d’atteindre une tenue en tension allant de 4 à 6, 5kV concurrençant les GTO dans cette gamme de tension. L’évolution effectuée durant ces vingt-cinq dernières années a permis de réduire de plus de 50% le rapport poids/puissance des convertisseurs [Sat 10].
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Table des matières
Introduction générale
1 État de l’art
1.1 Introduction
1.2 Évolution technologique dans la traction ferroviaire électrique
1.2.1 Électrification
1.2.2 Moteurs de traction
1.2.3 Composants de puissance
1.2.4 Conclusion
1.3 De la traction centralisée à la traction répartie
1.3.1 La traction répartie
1.3.1.1 Avantages
1.3.1.2 Inconvénients
1.3.2 Les différentes structures du point de vue d’ensemble convertisseurs/- moteurs
1.3.3 Structure Multi-convertisseur/Multi-machine
1.3.4 Structure Mono-onduleur/Multi-machine (systèmes multi-machines)
1.3.5 Structure Mixte
1.4 Les perturbations et défaillances d’une chaîne de traction électrique
1.4.1 Les perturbations externes
1.4.2 Les perturbations internes
1.5 Conclusion
2 Modélisation et commande d’une chaîne de traction électrique asynchrone
2.1 Introduction
2.2 Etage d’entrée
2.3 Machine asynchrone
2.3.1 Les équations électriques
2.3.2 Les équations électromagnétiques
2.3.3 L’équation mécanique
2.3.4 Commandes de la machine asynchrone
2.3.4.1 Le contrôle vectoriel
2.3.4.2 Le contrôle vectoriel à flux rotorique orienté
2.4 Onduleur de tension
2.4.1 Modèle triphasé
2.4.2 Modèle biphasé dans le plan complexe
2.4.3 Commande rapprochée d’un onduleur triphasé
2.4.3.1 Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI)
2.4.3.2 Pleine onde
2.4.3.3 Application à la traction
2.5 Partie mécanique : transmission d’effort
2.5.1 Modélisation simplifiée d’un bogie
2.5.1.1 Sans perte d’adhérence
2.5.1.2 Avec perte d’adhérence
2.6 Conclusion
3 Commande des systémes multi-onduleurs/multi-machines asynchrones dédiés à la traction ferroviaire
3.1 Introduction
3.2 Commande de système biconvertisseur/bimachine asynchrone
3.3 Commandes coopératives de système mono-onduleur/bimachine asynchrone
3.3.1 Commandes coopératives pondérées
3.3.1.1 La Commande Moyenne Simple (CMS)
3.3.1.2 La Commande Maître Esclave (CME)
3.3.2 La Commande Moyenne Différentielle (CMD)
3.3.2.1 Synthèse de la Commande Moyenne Différentielle
3.3.2.2 Contrôle du couple moyen différentiel sur l’axe d
3.3.2.3 Contrôle du couple moyen différentiel sur l’axe q
3.3.2.4 Contrôle du couple moyen différentiel sur les deux axes d et q
3.3.2.5 Récapitulatif des différentes possibilités de la commande CMD
3.3.2.6 Utilisation de la commande CMD comme stratégie d’antipatinage
3.4 Commande de système multi-convertisseur/multi-machine asynchrone
3.5 Conclusion
Conclusion générale
