Projet d'étude de la traction éléctrique

INTRODUCTION

Parmi tant d’autres moyens de communication, les transports terrestres jouent un rôle considérable sur l’économie de notre pays car, outre le transport de voyageurs, il permet la fluctuation interne des marchandises, des matières premières, ainsi que l’acheminement des produits à exporter vers les endroits portuaires. Par comparaison aux autres moyens de transport terrestre connus, le train est le plus avantageux du point de vue : frais d’exploitation, sécurité des marchandises par rapport aux risques d’accidents, et quantité à transporter qui est largement supérieure à celle des voitures poids lourd. Malgré les différentes crises politico-économiques survenues dans notre pays qui ont conduit jusqu’à la fermeture de la Régie de Chemin de Fer Malagasy pendant plusieurs années, les trains Malagasy sont actuellement en train de redémarrer grâce aux grandes rénovations apportées par Madarail, une Société qui a pris en charge l’exploitation du réseau de chemin de fer nord de Madagascar. Jusqu’à maintenant les matériels d’exploitation utilisés par Madarail sont des trains diesels-électriques de type AD12 et AD16 propulsés par des groupes mobiles de générateur de courant continu entraîné par un moteur diesel et un moteur de traction à courant continu. Comme toutes sociétés qui utilisent le pétrole comme source d’énergie principale, Madarail se trouve actuellement confronté aux problèmes engendrés par la flambée de prix mondial du baril en outre de l’entretien du moteur diesel et de la pollution due à l’échappement de gaz carbonique. Pour pallier à ces problèmes, l’utilisation des énergies électriques pour la traction a été supposée avantageuse ; ainsi, le présent mémoire qui a pour thème : « Projet d’étude de la traction électrique pour le transport ferroviaire à Madagascar » a été octroyé par la Société Madarail, et ce, afin d’envisager d’autre mode de traction de trains qui n’utilisent plus le gas-oil.

EVOLUTION CHRONOLOGIQUE DANS LE MONDE

• 1770 : Construction de la première voiture à vapeur par l’ingénieur français Joseph Cugnot.
• 1803 : Réalisation de la première locomotive de l’histoire, conçue par l’ingénieur britannique Richard Trevithick. Elle fut testée avec succès dans le sud du pays de Galles.
• 1825 : Mise en service de la première voie ferrée, en Angleterre, près de Newcastle. Cette ligne était destinée exclusivement au transport du charbon.
• 1827 : Essor de la traction à vapeur grâce à l’invention de la chaudière tubulaire par l’ingénieur français Marc Seguin.
• 1830 : Installation de la première ligne de chemin de fer assurant le transport de voyageurs, entre Liverpool et Manchester.
• 1830 : Invention par l’Américain Stevens du rail à patin, connu en France sous le nom de rail Vignoles.
• 1831 : Invention du bogie (articulation du châssis du wagon) par John Jarvis.
• 1832 : Première ligne régulière de transports de voyageurs en France entre Saint-Étienne et Andrézieux.
• 1842 : Construction de la première locomotive électrique par l’Écossais Davidson.
• 1879 : Mise au point de la traction par locomotive électrique par l’ingénieur allemand Werner von Siemens.
• 1901 : Fonctionnement du premier train monorail en Allemagne.
• 1908 : Construction par l’Italien Belluzo de la première locomotive à turbine à vapeur.
• 1911 : Réalisation de la première locomotive turboélectrique.
• 1912 : Fabrication en Allemagne de la première locomotive à moteur Diesel.
• 1924 : Construction d’une locomotive électrique Diesel par l’Américain Hermann Lemp.
• 1931 : Inauguration des autorails Renault et des « Micheline » sur pneumatique.
• 1941 : Mise au point en Suisse d’une locomotive à turbine à gaz et à transmission électrique.
• 1964 : Mise en service au Japon du premier train à grande vitesse. Le Shinkansen pouvait rouler jusqu’à 210 km/h.
• 1981 : Inauguration du premier TGV français, le TGV Sud-est, entre Paris et Lyon, atteignant une vitesse commerciale de 270 km/h.
• 1990 : Record de vitesse d’une rame TGV à 515,3 km/h. 2001 Mise en service du TGV méditerranée, reliant Paris à Marseille en 3 heures

LES MATERIELS D’EXPLOITATIONS

• Engins de traction :
– Locomotives AD 12 B et AD 16 B
– Micheline
– Locotracteurs
• les remorques :
– wagons porte container
– wagons plate forme
– wagons citerne
– wagons couverts
– wagons minerais
• les matériels de chantier
– draisine
– tracto-grue
– motolorries

PRINCIPE DU TRAIN A TRACTION ELECTRIQUE

Dans ce travail, on abordera l’étude d’une locomotive de traction entraînée par un moteur à courant continu série, ce dernier a été choisi par sa caractéristique d’avoir un couple de démarrage important. Par souci du coût d’installation élevé d’un réseau de transport d’énergie en courant continu, on va utiliser une ligne à courant alternatif industriel (25 kV ; 50Hz). Dans ce cas, il faut faire appel à un convertisseur de courant AC/DC bidirectionnel pour l’alimentation du moteur et le renvoi d’énergie vers le réseau alternative lors du freinage par récupération d’énergie.

FONCTIONNEMENT D’UN TRAIN A TRACTION ELECTRIQUE

Au cours de son trajet, un train à traction électrique a deux modes de fonctionnements bien distincts, à savoir :
• le fonctionnement en mode traction.
• le fonctionnement en mode freinage.
Fonctionnement en mode traction Le principe de fonctionnement d’un train électrique standard est résumé dans la figure (1 – 2). L’énergie nécessaire pour la traction est captée directement à partir de la ligne de transport d’énergie monophasée spécialement conçue pour l’alimentation des trains électriques (caténaire) ; cette ligne ne comporte qu’un seul conducteur de phase, le neutre est piqué sur le rail par l’intermédiaire du contact entre roue et rail. La connexion électrique avec le conducteur de phase se fait par l’intermédiaire d’un pantographe placé sur la toiture de la locomotive. Une fois arrivée au bord de la locomotive, la tension monophasée est abaissée par un transformateur avant d’être redressée par un convertisseur statique commandé par des thyristors. La tension ainsi redressée sera appliquée sur un moteur à courant continu qui transmet l’effort de traction nécessaire aux roues par l’intermédiaire d’un réducteur à engrenages. Dans le but d’éviter le patinage des roues, de maintenir constante la vitesse du convoi, et d’avoir le fonctionnement optimal de chaque moteur, la puissance fournie par ce dernier sera gérée par un circuit électronique qui commande le convertisseur statique.
Fonctionnement en mode freinage Quand le train descend le long d’une pente, il bascule en mode freinage électrique dans le but de maintenir sa vitesse de déplacement constante. Dans un autre cas, avant d’entrer dans un virage de faible rayon de courbure, ou lorsque le train va s’arrêter définitivement, le rôle du freinage électrique est de ralentir la vitesse du convoi. Dans les deux cas décrits précédemment, un dispositif de freinage pneumatique complète l’effort de retenu si c’est nécessaire. Il existe deux types de freinages électriques :
• le freinage rhéostatique.
• le freinage par récupération d’énergie.
Les principes de ces deux types de freinage se basent sur la réversibilité du fonctionnement de la machine à courant continu. Lorsque le train descend le long d’une pente ou il va s’arrêter, le moteur de traction fonctionne en générateur à excitation séparée et est entraîné par les roues. L’énergie ainsi produite sera, soit dissipée dans un résistance pour le freinage rhéostatique, ou renvoyée vers le réseau monophasé après conversion en énergie alternative.

PRESENTATION DE L’AD 12 B

C’est une locomotive qui utilise un moteur diesel comme source d’énergie motrice. La transmission d’énergie vers les roues se fait électriquement par l’intermédiaire d’une génératrice à courant continu qui alimente directement quatre moteurs de traction en parallèles, Chacun est couplé à un arbre d’essieu porteuse par un réducteur à engrenage. Pour varier l’effort de traction produit par la locomotive une vanne électropneumatique commande le débit de gas-oil à l’entrée du moteur diesel. A une grande ouverture de la vanne correspond une augmentation du régime du moteur d’entraînement. Cette augmentation de régime entraîne l’augmentation de la puissance délivrée par la génératrice, il en est de même pour la puissance délivrée par les quatre moteurs de traction. En freinage la locomotive a deux moyens pour se ralentir :
• Le freinage pneumatique
• Le freinage rhéostatique

Schéma équivalent d’un moteur électrique à excitation série

Pour l’alimentation d’un moteur à courant continu par un redresseur commandé, pendant l’intervalle de temps où le courant moteur s’annule, les thyristors se bloquent, donc le moteur n’est plus connecté à la source d’alimentation et Umot ne dépend plus de US mais de la charge ; d’après la figure précédente, elle est égale à E. c’est le phénomène de la conduction intermittente. L’ondulation importante du courant moteur produit une perturbation importante en harmonique au réseau. Il est donc nécessaire de minimiser cette perturbation par l’utilisation d’une inductance de lissage insérée en série avec le moteur.

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Table des matières

INTROUDCTION
PREMIERE PARTIE GENERALITE SUR LE TRANSPORT FERROVIAIRE
Chapitre I : HISTORIQUE DU CHEMIN DE FER
1. Evolution chronologique dans le monde
2. Les grandes dates du chemin de fer Malagasy
Chapitre II : LA SOCIETE MADARAIL
1. Vue générale
2. L’infrastructure ferroviaire
3. Les matériels d’exploitations
4. Organigramme hiérarchique
DEUXIEME PARTIE ETUDE DE FAISABILITE DE LA TRANSFORMATION D’UN TRAIN DIESEL ELECTRIQUE STANDARD EN TRAIN ELECTRIQUE
Chapitre I : LES TRAINS A TRACTION ELECTRIQUE STANDARD
1.1 Bref historique
1.2. Principe de la traction électrique
1.2.1. Diagramme fonctionnel
1.2.2. Schéma de principe
1.3. Fonctionnement d’un train a traction électrique
1.3.1. Fonctionnement en mode traction
1.3.2. Fonctionnement en mode freinage
Chapitre II : LA LOCOMOTIVE DIESEL ELECTRIQUE DE TYPE AD
2.1. Présentation de l’AD 12 B
2.2. Caractéristiques d’une locomotive AD 12 B
Chapitre III : DIMENSIONNEMENT GENERAL
3.1. Choix des moteurs de traction
Calcul de la puissance à la jante à vitesse maximale
Expression de la force de traction Fj pour un déplacement à vitesse constante
Résistance à l’avancement du train
Puissance totale sollicitée à la jante pour une vitesse Vmax=50[km/h] sur une profile en palier (rampe i0=0%)
Puissance utile sur l’arbre moteur à une vitesse V=50[km/h]
Calcul de l’effort et de l’adhérence sollicitée au démarrage
Effort de traction
Adhérence sollicitée au démarrage
Calculs des performances
3.2. Courbes effort-vitesse théorique
3.3. Conclusion
Chapitre IV : LE CONVERTISSEUR STATIQUE
4.1. Description et rôle du convertisseur statique
4.2. Mode de fonctionnement traction
4.2.1. Principes
4.2.2. Le redressement de courant commandé
4.2.3. Shuntage de l’inducteur par thyristor de dérivation
4.2.4. Les modes de démarrage
4.2.5. Calcul de la valeur de l’inductance de lissage
4.2.6. Études des puissances
4.3. Mode de fonctionnement freinage électrique
4.4. Dimensionnement des composants de puissance
4.4.1. Dimensionnement des diodes et thyristors
Chapitre V : ASSERVISSEMENT DE VITESSE DU TRAIN
5.1. Introduction
5.2. Régulation de vitesse en mode traction
5.2.1. Modélisation du moteur de traction
5.2.2. Modèle de l’ensemble allumeur – convertisseurs statique
5.2.3. Variateur de vitesse à régulation en cascade
5.2.4. Calcul de la boucle de courant
5.2.5 Calcul du régulateur de vitesse
5.2.6. Vérification sur SIMPLORER du comportement du système en présence de perturbation (variation brusque du couple antagoniste)
5.2.7. Application numérique
5.2.8. Schéma structurel du régulateur de courant
5.2.9. Schéma structurel du régulateur de vitesse
5.3. Mode de fonctionnement freinage électrique
5.3.1. Modélisation du système de freinage
5.3.2. Modèle du convertisseur statique
5.3.3. Structure de l’asservissement de vitesse en mode de fonctionnement freinage
5.3.4. Calcul du régulateur de tension
5.3.5. Calcul du régulateur de vitesse
5.3.6. Vérification du comportement du système avec une perturbation au tension du réseau et variation brusque du couple de traction
5.3.7. Application numérique
5.3.8. Schéma du régulateur de tension
5.3.9. Schéma du régulateur de vitesse
CHAPITRE VI : DIMENSIONNEMENT DU PANTOGRAPHE ET DU TRANSFORMATEUR
6.1. Dimensionnement du transformateur d’énergie
6.1.1. Type de la tension à transformer
6.1.2. Puissance apparente absorbée par la charge
6.1.2.1. Puissance active consommée par le train
6.1.2.2. Puissance réactive consommée par le train
6.1.2.3. Puissance déformante au secondaire du transformateur
6.2. Dimensionnement du pantographe
TROISIEME PARTIE ADAPTATION DE LA TRACTION ELECTRIQUE SUR LE CHEMIN DE FER MALAGASY
Chapitre I : ETUDE COMPRATIVE
1.1. Introduction
1.2. Energie consommée par le train le long du parcours type
1.2.1. Puissance moyenne absorbée par le train et vitesse moyenne le long du parcours type
1.2.1.1. Puissance de traction nécessaire et vitesse de traction moyenne
1.2.1.2. Puissance moyenne consommée par le train
1.2.2. Energie consommée par le train
1.2.3. Coût d’exploitation des deux types de traction le long du parcours type
1.3. L’entretien d’une locomotive électrique
1.3.1. Cycle d’entretien d’une locomotive Diesel-électrique
1.3.2. Entretient d’une locomotive électrique
Chapitre II : ETUDE DE LA RENTABILITE DE L’INVESTISSEMENT
2.1. Introduction
2.2. Définitions
2.2.1. L’actualisation
2.2.2. Capitaux investis
2.2.3. Marge brute d’autofinancement (MBA)
1. Exemple de calcul de la recette annuelle
2. les charges annuelles
3. L’amortissement
2.2.4. Valeur nette actualisée (VNA)
2.2.5. Indice de profitabilité (Ip)
Chapitre III : IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
3.1. Introduction
3.2. Evaluation des impacts environnementaux
3.2.1. Critères d’évaluations des impacts
3.2.2. Importance de l’impact
3.2.3. Identification et évaluation des impacts environnementaux
3.3. Mesures à prendre pour atténuer les impacts
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES