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RÉSUMÉ
La traction électrique, bien qu'apparue en 1880, a réellement été développée à partir de 1970, avec l'apport de l'électronique de puissance. En effet, cette dernière a permis de réelles avancées en offrant la possibilité de mettre en relation toutes les formes d'énergie électrique, cela de façon continue et bidirectionnelle, avec un excellent rendement. Ainsi l'utilisation de semi-conducteurs en silicium a généré un véritable gain en souplesse de contrôle, en énergie consommée et en compacité/légèreté pour les machines. Cet article présente le cheminement des évolutions technologiques dans le domaine de la traction électrique, des premières machines à l'emploi d'interrupteurs électroniques. Avec la description de nouveaux matériaux, comme le carbure de silicium, ce dossier aborde également les tendances du domaine et les progrès à venir.
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Marc DEBRUYNE : Ingénieur HEI (Hautes Études Industrielles) - Master Expert en Systèmes de traction – Alstom Transport
INTRODUCTION
Il est communément admis que la traction électrique a pris naissance vers 1880 lorsque Werner von Siemens présentait pour la première fois un engin mû par un moteur électrique à l'exposition universelle de Berlin. À l'aube du vingtième siècle, tous les types de moteurs électriques étaient connus, qu'ils soient à courant continu, synchrone ou asynchrone. Cependant, il manquait à ces machines la souplesse de réglage, c'est ce que va apporter l'électronique de puissance quand elle fait son entrée avec les thyristors à la fin des années 1960.
Le fondement de l'électronique de puissance s'appuie essentiellement sur le concept d'interrupteur statique qui va être réalisé grâce au silicium, matériau aux propriétés étonnantes, capable de passer de l'état d'isolant à l'état de conducteur sous l'action d'une simple commande électrique.
En cheminant dans le domaine de la traction électrique depuis ses origines à travers toutes les étapes technologiques jusqu'à l'avènement des interrupteurs électroniques, on pourra apprécier le génie inventif des ingénieurs du ferroviaire et mesurer l'accroissement progressif mais constant des performances et de la compacité des équipements traction à chaque évolution des semi-conducteurs de puissance, diode, thyristor, GTO et IGBT.
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3. Évolution des schémas de puissance en traction électrique
3.1 Historique
On comprend mieux maintenant l'évolution de la traction électrique au travers des composants qui ont depuis l'origine servi à contrôler le moteur. On voit bien qu'il a fallu en permanence résoudre l'équation à trois composantes :
-
quel moteur de traction pour la mission à accomplir ?
-
quel moyen de contrôle pour ce moteur ?
-
quelle tension d'alimentation ?
Au début, on a adapté l'alimentation au moteur à courant continu faute de mieux, puis on a adapté le moteur et son contrôle aux nouvelles tensions d'alimentation alternatives haute tension et récemment les performances des composants de contrôle et l'électronique de puissance ont permis de choisir les moteurs triphasés sans collecteur les plus performants quelle que soit l'alimentation.
Les tableaux des figures 12 et 13 résument de 1880 à 2010 la situation.
Toutes les tensions d'alimentation du passé subsistent sauf le triphasé à fréquence fixe, et l'on peut penser qu'il en sera encore ainsi pour longtemps car on n'ose pas imaginer ce que coûterait la standardisation à une seule tension alternative haute tension en Europe, d'ailleurs laquelle 25 kV-50 Hz ou 15 kV-16,7 Hz ?
Côté moteur de traction, la situation est plus aisée : le moteur asynchrone à cage économique et robuste s'impose quasiment partout, sauf quand la place manque dans le bogie ; on va alors chercher la dernière technologie du moment, le moteur synchrone à aimants permanents MSAP plus compact et plus performant encore.
Pour l'interrupteur électronique, l'IGBT a détrôné thyristors et GTO depuis près de dix années et rien pour le moment n'apparaît à l'horizon pour le remplacer. Même si on parle depuis quelque temps du carbure de silicium, il faudra encore attendre.
HAUT DE PAGE3.2 Simplification – Compacité – Performance
Ce qui frappe depuis l'apparition de l'électronique de puissance est la simplification progressive mais constante des schémas de puissance. De moins en moins de composants sont nécessaires pour réaliser des performances toujours meilleures.
Les composants passifs si volumineux comme les inductances ont été réduits...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FORRAY (R.) - SNCF. Les locomotives de la série BB12000 à redresseurs au silicium. - Revue Générale des Chemins de Fer, fév. 1965.
-
(2) - NOUVION (F.), COSSIE (A.), DUPONT (R.) - SNCF. Les locomotives monophasées BB15000. - Revue Générale des Chemins de Fer, juin 1971.
-
(3) - MACHEFERT TASSIN (Y.), NOUVION (F.), WOIMANT (J.) - Histoire de la traction électrique. - Collection « histoire et technique », La Vie du Rail, tome 1 (1980), et tome 2 (1986).
-
(4) - LACÔTE (F.) - La nouvelle génération de matériel à grande vitesse de la SNCF. Le matériel TGV Atlantique. - Revue Générale des Chemins de Fer, déc. 1986.
-
(5) - JEUNESSE (A.) SNCF, DEBRUYNE (M.H.) Alston - La BB36000 : la locomotive multitension européenne. - Revue de l'électricité et de l'électronique REE, oct. 1998.
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Laboratoire de machines électriques http://lme.epfl.ch/page15864.html
Traction électrique Vol. 1, 2e édition entièrement revue et augmentée http://www.polymtl.ca/pub/argumentaire.php?l=fre=7616
HAUT DE PAGE
EPE European Power Electronics and Drive http://www.epe-association.org/epe/index.php
PCIM Power Conversion Intelligent Motion http://www.mesago.de/en/PCIM/main.htm
HAUT DE PAGE3.1 Constructeurs de matériel ferroviaire
Alstom Transport http://www.transport.alstom.com
Bombardier http://www.bombardier.com
Siemens http://www.siemens.com
...
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