Propulsion ferroviaire, solutions actuelles et perspectives

27/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-2:19610
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Propulsion ferroviaire, solutions actuelles et perspectives

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REE N°2/2012 ◗ 75 La nouvelle révolution des moteurs électriques Benali Boualem Expert moteurs, Alstom Transport Robert Periot Expert traction, Alstom Transport Introduction Une chaîne de traction ferroviaire se définit comme l’ensemble des organes embarqués qui contribuent à la propulsion du véhicule. Son rôle principal est de convertir l’énergie d’alimentation d’origine externe ou embarquée en un effort de propulsion positif ou né- gatif, selon que le but est d’accélérer ou de freiner le véhicule. Un autre rôle, moins connu, consiste à four- nir l’énergie de bord nécessaire aux différentes fonc- tions auxiliaires ainsi qu’au confort des passagers. Dans le cas le plus général, le contact glissant avec le fil d’alimentation est assuré par l’archet d’un pan- tographe, dont le rôle est d’assurer la continuité de la captation, malgré les mouvements du véhicule et les imperfections géométriques. La tension d’alimen- tation est de 25 kV, à la fréquence de 50 Hz. Dans certains pays germaniques et nordiques, on trouve aussi la tension de 15 kV à 16,7 Hz, pour des raisons historiques. A noter aussi le couple 15 kV - 25 Hz sur certains réseaux d’Amérique du nord. Cette tension est transmise, à travers des organes de sectionnement et de coupure rapide, à un trans- formateur dont le rôle est de l’abaisser à une valeur compatible avec l’électronique embarquée (1,5 à 4 kV). Ce transformateur possède plusieurs secon- daires pour assurer une redondance suffisante ; un secondaire spécifique est généralement dédié aux auxiliaires et au chauffage. Chaque secondaire est relié à un redresseur dont le rôle est de : • fournir en aval une tension continue régulée ; • assurer l’absorption par l’engin d’un courant sinusoï- dal en phase avec la tension, ce qui maximise le rendement énergétique ; Propulsion ferroviaire, solutions actuelles et perspectives A traction drive for railway is in its principles very similar to industrial one. The basic functions, electric transformer, rectifier, filter, PWM inverters & motors are classical for all industrial drives. The specificities of railway devices are in: • high level of safety; • High level of reliability and availability; • long life duration; • huge environmental conditions of working, in terms of temperature, vibrations, water, etc. Today, many new requirements have to be taken into account: • increasing of traction power, due to higher speed and higher number of passengers; • drastic reduction of available space to install propulsion equipment; • environmental conditions must be taken in account: energy consumption, pollution and recyclability of material at its end of life, etc. Some solutions are proposed: • increasing the performances of traction motors (power density); • hybridization of vehicles with embedded energy storage; • introduction of new power semiconductors with lower losses and higher switching speed; • replacement of the bulky line transformers by active high frequency inverters; • replacement of the overhead power line by buried magnetic power transmission systems; • Increase of the reliability with static pumping cooling systems; • as for bogies: use of high speed motors to reduce weight or use of low speed motors to suppress the gear box; • reduction of noise and maintenance thanks to linear motors and magnetic sustentation. abstract 76 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques • réduire le niveau des fréquences perturbatrices en dessous des seuils de sécurité des systèmes de signalisation. De plus, ce système devra être parfaitement réversible, le freinage se faisant par récupération et renvoi de l’énergie cinétique sur le réseau. Chacune de ces tensions continues alimente un ou plusieurs moteurs, à travers un onduleur triphasé dont le rôle est de fournir un courant alternatif de tension et de fréquence variables. Sur les engins récents, les onduleurs fonctionnent en tension et en modulation de largeur d’impulsion (MLI). Là aussi, le système doit être par- faitement réversible. Dans les cas où le réseau ne peut pas absorber l’énergie de freinage, un rhéostat spécifique com- mandé par un hacheur assure cette fonction. Il existe aussi des réseaux alimentés en courant continu : • 600 V pour les tramways anciens et certains métros ; • 750 V pour les nouveaux tramways et métros ; • 1 500 V pour les lignes anciennes en Europe, sauf pour l’Italie, l’Espagne et la Belgique où on trouve du 3 kV. On citera pour mémoire le BART de San Francisco en 1 000 V. Dans tous ces cas, la tension collectée par le pan- tographe ou le frotteur est directement appliquée, après fil- trage, aux onduleurs de propulsion. Les engins à alimentation diesel comprennent un alter- nateur monté sur l’arbre du moteur. Cet alternateur fournit une tension triphasée qui est redressée et utilisée par les onduleurs de propulsion. Ici la réversibilité du redressement n’a pas lieu d’être et le freinage électrique est assuré unique- ment par le rhéostat. Les engins ferroviaires assurent une fonction de transport en commun des personnes. Cette particularité génère un certain nombre d’impératifs : • une très grande sécurité de fonctionnement, que ce soit pour les fonctions de puissance ou pour leur pilotage ; • une grande disponibilité, due au fait qu’une panne totale nécessitant l’arrêt du train avec tous les retards associés est difficilement acceptable ; • en particulier une grande fiabilité, indispensable pour rédui- re les postes de coûts liés à la maintenance du matériel ; • des durées de vie très longues (30 à 40 ans), le renouvelle- ment du matériel étant une opération coûteuse ; • une aptitude au fonctionnement de longue durée et dans des conditions d’environnement sévères. De plus, l’accent est mis aujourd’hui sur la consomma- tion énergétique et sur les solutions visant à améliorer les rendements. Enfin, les engins assurant un trafic international doivent être compatibles avec les standards nationaux qui dif- fèrent, selon les pays, en termes de tension d’alimentation et de systèmes de signalisation. Ceci conduit à une grande com- plexification, l’exigence de fiabilité demeurant un impératif. Les principales architectures de chaînes de traction - Traction en continu (tramways, métros, auto- motrices, trains régionaux) - Traction en alternatif (TGV, locos, automotri- ces, trains régionaux) - Traction diesel (locos, trains régionaux, auto- motrices légères) Nota : Beaucoup de systèmes amenés à faire du transport international sont capables de fonctionner selon deux, trois, voire quatre standards différents. L’électronique de puissance Les interrupteurs de puissance utilisés en traction sont des IGBT de différents calibres (figure 4). - Les techniques de refroidissement  Selon les contraintes de compacité et les puissances à évacuer, différentes technologies sont utilisées : • radiateurs secs en ventilation « naturelle » (vent + vitesse) ; Figure 1 : Schéma-type d’une alimentation en courant continu. Figure 2 : Schéma-type d’une alimentation en courant alternatif. Figure 3 : Schéma-type d’une alimentation diesel. REE N°2/2012 ◗ 77 Propulsion ferroviaire, solutions actuelles et perspectives • radiateurs secs en ventilation forcée ; • systèmes à caloducs ; • immersion dans un fluide caloporteur ; • systèmes à circulation d’eau (figure 5)  - eau ordinaire isolée  - eau dés-ionisée au potentiel  • systèmes à circulation d’huile. Technologies de motorisation électrique & perspectives - Généralités La motorisation électrique des véhicules ferroviaires est un élément majeur de la chaîne de traction, sachant que c’est le lieu de la conversion électrique/mécanique de la puissance. De ce fait, ce composant est à la frontière entre les domaines électrique et mécanique et il doit satisfaire à des besoins de performances définis pour le véhicule (si la motorisation est répartie sur différents bogies) ou de façon centralisée (pour des applications locomotives ou motrices). Le moteur est également soumis à des contraintes d’intégration au bogie et/ou à la caisse du véhicule. La motorisation électrique doit offrir une forte compacité et garantir une efficacité de la conversion de puissance. La quête de compacité du moteur est le fil conducteur des évo- lutions des technologies de motorisation dans le ferroviaire. A titre d’exemple, le tableau 1 donne une illustration de l’é- volution technologique des moteurs de TGV depuis 1981. Depuis le premier moteur à courant continu, on peut noter que la compacité (puissance ramenée à la masse) a été mul- tipliée par un facteur trois. On notera également que l’évolu- tion de la technologie des moteurs a simultanément apporté un meilleur rendement. Cependant, l’intérêt global d’une nouvelle technologie de motorisation dans le ferroviaire s’évalue en l’associant à des Figure 4 : Transistors IGBT de différentes puissances. Figure 5 : Exemple de module moderne (IGBT 6,5 KV, refroidi à eau). 78 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques évolutions touchant à d’autres domaines que l’électroméca- nique. L’évolution de l’électronique de puissance a permis le pilotage efficace des moteurs synchrones et asynchrones ; par ailleurs, dans le domaine des matériaux magnétiques, le développement des aimants permanents performants a ren- du possible l’utilisation des machines synchrones à aimants permanents de forte puissance. - Evolution des technologies de moteurs de traction Même si les machines à courant continu (MCC) ont été couramment utilisées jusqu’en 1990, elles posent un pro- blème de maintenance lié aux collecteurs et aux balais. Com- me signalé plus haut, les évolutions dans l’électronique de puissance et les techniques de pilotage ont rendu possible l’utilisation des machines asynchrones et synchrones à rotor bobiné dans le domaine de la variation de vitesse. Bien que les machines synchrones nécessitent un système de bagues/ balais, leur maintenance est fortement réduite en raison de l’absence de phénomène lié à la commutation de courant de forte puissance. Néanmoins, ces machines restent peu utili- sées car les machines asynchrones à cage d’écureuil présen- tent plus de robustesse. Leur fonctionnement par induction permet de supprimer tout contact tournant ; le champ tour- nant au rotor est créé par les courants induits par le champ magnétique du bobinage stator. A ce jour, cette technologie de machines a été adoptée pour la majorité des motorisations électriques de la traction ferroviaire. Son utilisation ne se cantonne cependant pas à ce domaine d’application et de manière générale, elle représente de très loin la technologie de machine électrique la plus cou- ramment employée dans le monde. Si on compare la même technologie de moteur appliquée à deux domaines différents, traction ferroviaire et motorisation industrielle de processus, on notera cependant que le moteur de traction est caractérisé par une plus forte densité de puissance à la même vitesse de rotation (figure 6). Cela s’explique par la nature des matériaux et par les processus utilisés pour la construction du moteur. L’évolution des moteurs électriques pour la traction élec- trique se poursuit  ; si la machine asynchrone est toujours d’actualité, la recherche technologique continue à progresser et propose des machines synchrones autopilotées, à aimants Mise en service 1981 1989 2007 2012 Train TGV Paris-Sud Est TGV Atlantique TGV POS AGV Automotrice GV Technologie moteur Courant continu Synchrone à rotor bobiné Asynchrone à cage d’écureuil Synchrone à aimants permanents Refroidissement Air forcé Air forcé Air forcé Auto-ventilé Puissance (kW) 535 1 130 1 160 900 Masse (kg) 1 560 1 525 1 350 775 Ratio (kW/kg) 0,34 0,74 0,86 1,16 Rendement 0,93 0,95 0,95 0,96-0,97 Tableau 1 : Evolution des performances des moteurs de traction de TGV depuis 1981. Figure 6 : Comparaison des performances (densité de puissance) : moteurs de traction et moteurs industriels. REE N°2/2012 ◗ 79 Propulsion ferroviaire, solutions actuelles et perspectives permanents offrant un fort couple massique. Des gains de l’ordre de 30 % de compacité ont été obtenus par cette tech- nologie en comparaison avec une machine asynchrone ré- pondant au même besoin. - Contraintes de dimensionnement  Le moteur de traction est soumis à des contraintes impor- tantes qui affectent son dimensionnement et ses méthodes de fabrication. Outre les aspects réalisation du besoin de per- formances (couple, vitesse, puissance), il faut tenir compte des contraintes liées au matériel embarqué dans le domaine ferroviaire. Ces contraintes font la spécificité de la concep- tion et de la fabrication des moteurs de traction. Parmi ces contraintes, les plus importantes sont les suivantes : • la tension d’alimentation : selon le réseau utilisé on peut avoir, pour des raisons historiques, une alimentation DC ou AC, avec des niveaux de tension différents. De ce fait, la tension bus onduleur peut être, selon les applications, de 750 V DC, 1 500 V DC ou 3 000 V DC, voire plus. Par ailleurs, on doit tenir compte, dans le dimensionnement du moteur, de la forme d’onde de la tension qui peut engen- drer des pertes supplémentaires dans le moteur. Il faut éga- lement intégrer la présence de la dérivée dV/dt ; • le bruit : pour certaines applications ou situations, le bruit du moteur peut être émergent au niveau du véhicule. Ce bruit peut être d’origine électromagnétique ou aéraulique ; • la température de fonctionnement  : d’un point de vue général, les températures ambiantes varient entre -20 °C et + 40 °C. Mais selon les applications et les pays on peut avoir des températures plus sévères (-50 °C pour le marché russe) ; • l’environnement mécanique : selon le type de montage du moteur dans le bogie, les organes du moteur peuvent être soumis à des vibrations et à des chocs assez élevés (3 à 100 g) ; • la durée de vie : les moteurs de traction doivent avoir une durée de vie assez élevée (une moyenne de 35 ans est exi- gée). Cela impacte fortement le choix des matériaux et les niveaux de température acceptables, et impose de prendre en compte la fatigue mécanique des matériaux soumis à des contraintes mécaniques fortes. D’autres contraintes sont également à considérer : sécu- rité, pollution, maintenabilité, etc. Il ressort de cette revue qu’outre le besoin fonctionnel qui doit être satisfait, d’autres contraintes ont des incidences for- tes sur la conception et la fabrication du moteur. Il en ressort également un fort besoin de compacité et de fiabilité sur le long terme de ces équipements. Approche de dimensionnement  La principale grandeur de dimensionnement d’un moteur électrique est le couple Cm qu’il peut délivrer à l’arbre. En effet, cette grandeur définit de façon directe son volume actif et par voie de conséquence sa masse. Le couple demandé à la sortie d’un moteur dans une transmission ferroviaire dépend du réducteur. En effet pour un couple demandé à la roue Cr, le couple moteur est égal  à : Cm = Cr/r ou r est le rapport de réduction du réducteur (figure 7). Cette relation fait apparaître que plus le rapport de réduction est élevé plus le couple à la sortie du moteur est réduit. Néanmoins, le même rapport de réduction r relie la vitesse de rotation du moteur et celle de la roue (ωm = r x ωr). De ce fait, plus on va vouloir diminuer le couple demandé au moteur (donc son volume et sa masse), plus on va augmenter sa vitesse de rotation pour une vitesse du véhicule donnée qui résulte d’autres contraintes. L’augmen- tation de vitesse du moteur va engendrer des contraintes de tenue mécanique pour les matériaux du rotor et également affecter la durée de vie au travers notamment des éléments de la pivoterie du moteur. Le choix de la vitesse limite est important pour le dimensionnement du moteur. Il constitue un levier pour augmenter sa compacité mais la recherche de forts rapports de réduction amène une complexité du réduc- Figure 7 : Principe d’une transmission ferroviaire. Figure 8 : Illustration du principe électromagnétique pour un moteur. 80 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques teur avec une multiplication du nombre d’étages au regard de la contrainte d’intégration de la motorisation complète dans le bogie. De ce fait, l’augmentation du rapport de réduction se trouve limitée lorsqu’on cherche à travailler avec des trans- missions simples et robustes. Connaissant le couple demandé, le dimensionnement d’un moteur électrique repose sur le calcul de la force (ou couple) de Laplace au niveau de l’entrefer au travers des grandeurs électromagnétiques, (induction et courant). Ce calcul met en relation le couple C délivré par le moteur avec la densité de flux (induction B) développée dans l’entrefer et le courant i injecté dans le bobinage stator. C = k.(Da.L).(B.i) Le coefficient k dépend de la géométrie de la machine. Da est le diamètre intérieur du stator et L la longueur de la ma- chine (figure 8). L’induction B dans l’entrefer est limitée par les matériaux magnétiques utilisés au stator et au rotor pour canaliser le flux magnétique. Pour les machines les plus performantes utilisant des matériaux classiques de l’électrotechnique, on peut atteindre des valeurs de l’ordre de 0,8 à 1,1 T. Le courant dans le bobinage est limité par les tempéra- tures acceptables par les matériaux qui isolent le cuivre des matériaux magnétiques. Cette limitation dépend de la mé- thode de refroidissement du moteur. Cela se traduit par l’in- troduction de la notion de densité de courant. Généralement, on utilise la densité linéique A et la densité de courant surfa- cique δs. La première grandeur est donnée par : où k’ est un coefficient qui dépend de la cons- truction du bobinage. La densité de courant surfacique est donnée par : où Scu est la section du conducteur. La densité de courant δs est de l’ordre de 5 à 10 A/mm² et la densité linéique est de l’ordre de 400 à 1 000 A/cm, selon le type de refroidissement adopté. Le produit des deux densités est souvent utilisé pour définir le courant acceptable. Toutes ces considérations amènent à considérer une re- lation simple entre le besoin en couple, la technologie de moteur et son volume : où Le coefficient k’’ est un paramètre technologique qui dépend des caractéristiques des matériaux utilisés (magnétiques et élec- triques) et du système de refroidissement choisi. La relation pré- cédente montre également le lien entre le couple demandé et le volume de l’entrefer Da².L et par conséquent le volume total et la masse du moteur. Le coefficient k’’ se ramène une grandeur qu’on appelle pression d’entrefer (en N/m²). Cette grandeur at- teint des valeurs de l’ordre de 20 à 50 kN/m² pour les moteurs électriques utilisant les matériaux usuels de l’électrotechnique. - Limites technologiques  Dans les paragraphes précédents, nous avons exposé les principaux aspects permettant le pré-dimensionnement d’un moteur électrique. On peut les classer en trois catégories : • type de machine électrique : asynchrone, synchrone bo- biné ou à aimants. Le choix du type de machine peut être établi en fonction du compromis compacité-coût ; • intégration dans le bogie : l’architecture de la transmission permet de réaliser le meilleur compromis entre le moteur et le réducteur du point de vue couple et vitesse à travers le choix du rapport de réduction ; • technologie : matériaux magnétiques (tôles, aimants per- manents) et électriques (isolants) ; systèmes de refroidis- sement. L’évolution des matériaux magnétiques à faibles pertes, pour les tôles, ou à forte énergie, pour les aimants perma- nents, est un sujet de travail important dans des laboratoires de recherche publics ou privés. Le même constat peut être fait quant aux isolants travaillant à haute température. Néan- moins, ces travaux laissent entrevoir des perspectives d’op- timisation de la motorisation électrique plus que de rupture technologique. On doit également évoquer les technologies de supra- conductivité qui peuvent être envisagées pour des moteurs. Néanmoins, la production de bobinages supraconducteurs est loin d’être réalisée à grande échelle et l’intégration de systèmes de refroidissement cryogéniques reste à mettre en place. L’avènement d’une telle technologie dans le domaine ferroviaire, supposerait des gains (compacité sans dégra- dation du coût) en complète rupture avec les technologies classiques et impliquerait une adaptation importante des outils de fabrication existants. Les supraconducteurs à haute température permettent dès aujourd’hui de concevoir des machines de forte puissance plus compactes, utilisables sur des installations fixes. La nécessité de maintenir leur tempé- rature à des valeurs encore basses pose le problème de leur aptitude à être embarquées ainsi que celui des contraintes de maintenance. Les tendances  Les tendances actuelles concernent pratiquement tous les aspects : REE N°2/2012 ◗ 81 Propulsion ferroviaire, solutions actuelles et perspectives • augmentation des puissances, due au relèvement des vitesses et à l’augmentation de la capacité (par ex. rames à deux niveaux) ; • pour les mêmes raisons, réduction de la place et de la masse disponibles pour les équipements ; • exigences de fiabilité et de disponibilité accrues : le systè- me doit « se faire oublier », le client unique est le passager : - dispositifs d’auto diagnostic - stratégies de maintenance prédictive ; • prise en compte des contraintes environnementales - réduction de la consommation d’énergie - réduction des pollutions diverses : acoustiques, visuelles, etc. - recyclabilité et réduction de l’empreinte carbone sur toute la vie du matériel ; • et bien entendu - réduction des coûts (concurrence internationale très agressive) - réduction des temps de cycle (délai appel d’offres/ livraison). Quelques pistes - Hybridation des véhicules Le marché a des exigences, plus ou moins nouvelles, aux- quelles il faut pouvoir répondre : • pas d’impact visuel des lignes aériennes ; • optimisation de l’utilisation de l’énergie : - réduction de la consommation  - réduction des pics de puissance  - réduction des pollutions chimiques  - réduction des pollutions acoustiques. • des demandes usuelles : - réduction des coûts de possession et d’acquisition  - sécurité, disponibilité, accessibilité. • des invariants : - rester un véhicule à zéro émission  - une capacité constante. Un ensemble de moyens peuvent être mobilisés pour satis- faire ces exigences : • « ECO mode » : - amélioration du rendement de traction - maximisation des énergies récupérées  - réversibilité de l’alimentation de puissance  - autonomie partielle  - suppression de la captation dans certaines zones. • autonomie totale - systèmes “wireless”. • réduction de consommation de fuel et des pollutions : - hybridation de véhicules diesel (hybride parallèle). • véhicules hybrides série et bi-modes ; • autonomie partielle des locomotives de fret. Les techniques de stockage de l’énergie offrent des pers- pectives intéressantes : • batteries  • volants d’inertie  • super condensateurs • piles à combustible  • powerpacks (groupes diesel). - Introduction de composants électroniques rapides L’introduction de semi-conducteurs de puissance (GaN et SiC) à large bande interdite sera la principale innovation des années futures dans l’électronique de puissance haute tension. De la même manière que l’introduction des IGBT haute tension dans les années 90 a complètement changé la conception de l’électronique de puissance, on doit prévoir et anticiper l’impact des composants large bande dans les systèmes de puissance. A partir des premières caractéristiques disponibles sur les composants SiC haute tension, on peut anticiper les avanta- ges potentiels de ces composants large bande : • possibilité de fréquences de découpage élevées (>20 kHz avec des composants de tenue en tension > 1 700V) auto- risant l’usage de moteurs à très grande vitesse (15 000 t/mn ou plus) ; • réduction globale des pertes de puissance pour l’ensemble de la chaîne de traction (plus de 2 % de gain de rendement global) ; • possibilité d’atteindre de très hautes tensions de blocage (15 kV). De tels composants permettront de nouvelles archi- tectures autorisant à réduire les masses, en particulier pour le transformateur principal fonctionnant sous 25 kV, par l’uti- lisation d’électronique active au primaire et en augmentant la fréquence de fonctionnement du transformateur ; • possibilité de fonctionner à des températures de jonction élevées (> 200 °C) sans réduction notable des perfor- mances électriques. Cette température de fonctionnement ouvrira la possibilité d’utiliser des systèmes de refroidisse- ment passifs et d’intégrer l’électronique dans les machines. Pour tirer tous les avantages de ces composants, les as- pects thermiques devront être étudiés avec soin et entre autres les points suivants : • conséquences de la réduction des pertes ; • encapsulation à haute température et besoin de compo- sants passifs haute température ; • introduction de systèmes de refroidissements passifs et augmentation des températures de cyclage thermique. 82 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques Transformateurs d’entrée moyenne fréquence Dans les automotrices actuelles, l’alimentation par la caté- naire 25 kV/50 Hz est réalisée avec un transformateur abais- seur suivi d’un redresseur (figure 9). La tension alternative monophasée de la caténaire est abaissée et ensuite conver- tie en tension DC. Cette tension est transformée par les onduleurs du système de propulsion ou bien par les autres onduleurs des systèmes auxiliaires. L’inconvénient de ce prin- cipe est que le transformateur 25 kV/50 Hz est volumineux et lourd (plusieurs tonnes). De nouvelles structures (figure 10) ont été développées afin de réduire le volume et le poids de la structure de conversion, ceci afin de pouvoir augmenter l’espace utile dans des automotrices. L’isolation galvanique est toujours assurée par un transfor- mateur, mais cette fois il fonctionne en moyenne fréquence (de 1 à 5 kHz). Le fonctionnement en moyenne fréquence, associé avec une technologie nanocristalline pour le noyau ferromagnétique, permettra de réduire considérablement son poids et son volume. Cette approche conduit à plusieurs so- lutions qui ont été proposées par différentes sociétés. Alstom a développé une topologie (figure 11) contenant un trans- formateur MF pour des applications à 15 kV/162/3 Hz. Cette topologie contient huit modules connectés en série avec un bus DC intermédiaire. Les modules d’entrées convertissent la fréquence d’entrée 162/3 Hz en une fréquence de 5 kHz. Chaque module d’entrée contient un redresseur à MLI, suivi par un bus DC et, sur le primaire du transformateur, un bras d’onduleur fonctionnant en résonance. Le circuit de résonan- ce est constitué par l’inductance de fuite Lf du transformateur et d’une capacité VC . - Captation inductive L’objectif de cette technologie est de supprimer partiel- lement, voire complètement, les caténaires, mais aussi et surtout d’alimenter et de charger un système de stockage électrique (batteries et/ou supercondensateurs) en station, lorsque le tramway est à l’arrêt. L’énergie stockée doit alors permettre au véhicule d’aller jusqu’à la station suivante où il peut à nouveau se recharger. Par conséquent, l’énergie consommée entre deux stations doit être transmise pendant le temps d’arrêt du tramway afin de garantir la même vitesse commerciale. Ceci impose un système de recharge de forte puissance. La solution avec contact à l’arrêt n’est pas envisa- Figure 9 : Système d’alimentation actuel. Figure 10 : nouveau concept d’alimentation. Figure 11 : Nouveau principe d’architecture. REE N°2/2012 ◗ 83 Propulsion ferroviaire, solutions actuelles et perspectives gée à cause de sa très faible « cyclabilité ». En effet, le fort courant traversant le connecteur dégrade celui-ci ponctuel- lement en raison de la mauvaise répartition de la densité de courant. Celle-ci est due à la non uniformité du contact, puisqu’il n’y a aucun mouvement entre les parties mâle et femelle. La solution envisagée est en conséquence une ali- mentation sans contact par captation inductive. Cette solution présente comme principal avantage d’avoir un impact visuel nul grâce à l’absence de caténaire. De plus, on supprime les poteaux supportant les caténaires, ce qui a pour conséquence de réduire la place nécessaire à l’implan- tation d’une ligne de tramway. Grâce à ce type de système, on peut s’autoriser des passages dans des rues étroites, ce qui est impossible avec le système d’alimentation tradition- nel. Le système est destiné aux véhicules légers (tramways et métros). En effet, l’énergie nécessaire pour des véhicules de type train (TER et TGV) serait trop importante et demanderait des capacités de stockage considérables. L’énergie maximale nécessaire entre deux stations est de l’ordre de 8 à 9 kWh, soit 29 à 33 MJ. Le temps d’arrêt d’un tramway est de l’ordre d’une vingtaine de secondes. Par conséquent la puissance maximale à transmettre est de l’ordre de 1,6 MW. Cette puissance maximale de dimension- nement constitue le premier défi à satisfaire. Il faut noter cependant que, lors de la plupart des arrêts, l’énergie à trans- mettre ne représente que la moitié de l’énergie maximale. L’application visée possède un caractère impulsionnel. En effet, les charges auront lieu toutes les trois minutes environ. Pour permettre le transfert d’énergie sans contact, un induc- teur primaire sera enterré dans le sol au niveau de chaque interstation (partie stationnaire) et un induit secondaire sera placé sous le tramway (partie embarquée). La charge se fera à l’arrêt mais les parties primaire et se- condaire seront en réalité mobiles entre elles. Il en découle donc un problème de positionnement. L’inducteur primaire doit être enterré car le tramway circule sur une voie publique et il n’est pas possible de créer une protubérance au milieu de la voie à chaque station. Le tramway a une précision latérale (selon l’axe des x) de plus ou moins 7 mm par rapport à la médiane. La précision selon l’axe des y dépend uniquement de la précision d’arrêt du tramway. Cette précision dépend des efforts mis en œuvre pour l’améliorer, et donc du coût in- vesti. Si le conducteur n’est pas assisté, par de l’électronique de commande par exemple, la précision attendue est de plus ou moins 50 cm. Pour les métros automatiques, la meilleure précision obtenue à l’heure actuelle est de plus ou moins 15 cm, ce qui correspond à l’alignement des portes du métro avec les portes automatiques de la station. - Techniques de refroidissement La demande de puissances massiques de plus en plus importantes impose des systèmes de refroidissement de très hautes performances. Mais les exigences croissantes en ter- mes de fiabilité et disponibilité imposent des systèmes stati- ques sans maintenance. Dans de nombreux cas, le radiateur classique refroidi par le vent et la vitesse répond au problème malgré sa taille et sa masse. Mais dans les systèmes compacts fortement intégrés, d’autres solutions sont à rechercher. Le choix se tourne vers les systèmes diphasiques, plus performants et beaucoup plus stables, du fait de l’absence de pompe mécanique. Les boucles fluides diphasiques à pompage capillaire sont des systèmes de transport de cha- leur de très hautes performances. Ces dispositifs utilisent la transition de phase d’un fluide pour transférer la chaleur en- tre une source chaude, où le fluide se vaporise, et une source froide, où il se condense. Aucun organe mécanique de puis- sance n’est utilisé pour mettre le fluide en mouvement : c’est la tension superficielle qui se développe au sein d’un corps Figure 12 : Positionnement relatif du primaire et du secondaire dans un système de captation inductive. 84 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques poreux contenant l’interface de vaporisation qui crée le saut de pression capillaire qui est le moteur du système. Développés à la demande de l’industrie spatiale, ces dis- positifs sont aujourd’hui couramment utilisés pour le contrôle thermique des satellites. Les performances de ces systèmes font que leur utilisation est sérieusement étudiée dans le champ gravitaire, en particulier dans les domaines des trans- ports ferroviaires et aéronautiques où ces boucles devront, en plus de la gravité, s’adapter à des régimes de fonctionne- ment très fortement variables dans le temps, à des variations importantes de la température de leur environnement, et à des accélérations éminemment variables en intensité et en direction. L’ancêtre de la boucle fluide diphasique est le caloduc. Dé- veloppé dans les années 1940, ce système est un simple tube rempli d’un fluide pur présent sous ses deux phases, liquide et vapeur. Ce fluide circule entre la zone qui reçoit le flux ther- mique à dissiper, appelée évaporateur, et la zone où ce flux est évacuée par l’intermédiaire d’une source froide, appelée condenseur. La vapeur générée à l’évaporateur se déplace au centre du tube et se déplace aussi vers le condenseur par dif- férence de pression. Le liquide, formé au condenseur, revient vers l’évaporateur par forces de gravité (caloduc gravitaire, ca- loduc en position verticale) ou par capillarité dans un milieu poreux qui tapisse la paroi interne du caloduc. Ainsi, dans un caloduc les deux phases sont en contact per- manent et s’écoulent en sens inverse. Cela entraîne de fortes contraintes de cisaillement entre les deux phases. En outre, la structure capillaire s’étendant sur toute la longueur du caloduc, cela implique de fortes pertes de charge dans l’écoulement du liquide. Toutes ces contraintes limitent le fonctionnement de ce système, tant au niveau du maximum de flux de chaleur transférable qu’au niveau des longueurs de tubes. Afin de répondre au développement de l’électronique, qui impose une miniaturisation des systèmes ainsi qu’une aug- mentation des puissances dissipées, sont apparues de nou- veaux concepts de refroidissement diphasiques : les boucles fluides diphasiques. L’idée est de séparer les deux phases du fluide dans des conduites différentes. On distingue tout d’abord deux types de boucles suivant le moyen de retour du liquide vers l’évaporateurr : les boucles diphasiques gravitai- res et les boucles diphasiques à pompage thermocapillaire. Les boucles diphasiques gravitaires, rencontrées par exem- ple dans le système modulaire fluide, s’appuient sur les forces de gravité. Cela implique que le condenseur soit situé au- dessus de l’évaporateur. En pratique, le dimensionnement de tels systèmes se heurte à l’évaluation précise des coefficients d’échange thermique et des pertes de charge. Ainsi, les ap- plications de ces systèmes restent-elles encore limitées aux cas pour lesquels un certain empirisme est acceptable dans la réalisation, ce qui n’est pas le cas de l’application ferroviaire. Les boucles fluides diphasiques à pompage thermoca- pillaire (BFDPT) utilisent quant à elles les forces capillaires d’une matrice poreuse. Cependant, contrairement au calo- duc, la configuration de ces boucles permet de confiner ce moteur capillaire au sein d’un seul élément (l’évaporateur). Les pertes de charge de l’écoulement liquide dans ce milieu poreux sont ainsi localisées. En outre, contrairement aux bou- cles gravitaires, un composant supplémentaire, appelé réser- voir, permet de gérer les variations de volume de fluide au Figure 13 : Principe d’une boucle diphasique. REE N°2/2012 ◗ 85 Propulsion ferroviaire, solutions actuelles et perspectives sein de la boucle. La position de ce réservoir dans la boucle permet de distinguer deux types de BFDPT : les CPL (Ca- pillary Pumped Loop) et les LHP (Loop Heat Pipe). Après plus de 30 ans de développement initialement réa- lisé par l’industrie spatiale, les BFDPT ont atteint aujourd’hui une maturité suffisante pour être proposées en tant que technologie commercialement disponible. Fonctionnant en environnement gravitaire ou spatial, ces dispositifs sont ainsi capables de transporter sur plusieurs mètres des flux de cha- leur atteignant quelques kW, avec des écarts de température de quelques dizaines de degrés au maximum. La BFDPT est un système de transfert thermique passif. Ses principaux éléments constitutifs sont : • l’évaporateur, contenant le milieu poreux ; • le condenseur ; • le réservoir, placé en amont de l’évaporateur ; • les conduites liquides et vapeur. Cette structure est modulaire. Il est ainsi possible de pla- cer plusieurs évaporateurs et condenseurs en parallèle. - Architecture bogie : machines rapides ou à entraînement direct ? L’apparition d’interrupteurs de puissance rapides capables de tenues en tension élevées permet d’envisager des conver- tisseurs haute fréquence susceptibles de piloter des machines à fréquence de base élevée, donc à forte polarité et/ou gran- de vitesse de rotation. Dans le même temps, la disponibilité d’aimants permanents à forte induction permet la conception de machines à très fort couple pour des coûts acceptables. Ces deux idées, radicalement opposées, conduisent toutes deux à des évolutions intéressantes de la fonction propulsion. • Machines rapides  Avantages : En première approximation, la masse d’une machine élec- trique est proportionnelle au couple maximal qu’elle aura à fournir. Ce qui revient à dire que cette masse, pour une puissance donnée, sera inversement proportionnelle à la vi- tesse de rotation. Il est attendu de cette caractéristique un encombrement plus réduit dans le bogie, une diminution de la charge à l’essieu et des masses non suspendues. Inconvénients : Le principal inconvénient de cette approche réside dans la nécessité d’ajouter un étage de réduction supplémentaire à cause de la plus grande vitesse de rotation. La technologie des machines rapides et haute fréquence demande par ailleurs des matériaux adaptés : • pivoterie spécifique ; • tôlerie à hautes performances ; • bobinage spécial ; • calculateur de pilotage temps réel rapide. • Entraînement direct  Avantages : Ce système réalise le vieux rêve des électroniciens qui est la suppression du réducteur, organe mécanique dont la maintenance est contraignante. Il en est attendu une amélio- ration de la fiabilité, une augmentation du rendement et une réduction du bruit de fonctionnement. Inconvénients : La suppression du réducteur conduit la machine à devoir fournir un couple multiplié par le rapport de réduction que l’on supprime. Sa masse et son volume seront multipliés par ce même rapport. Cette augmentation de masse accroît la charge à l’essieu. Les couples élevés à fournir demandent l’utilisation de quantités importantes d’aimants, composants coûteux. - Moteurs linéaires pour applications urbaines Les moteurs linéaires ont été développés sous forme de nombreuses variantes et avec des succès divers. Les applica- tions visées restent la propulsion ferroviaire, pour les applica- tions urbaines, et la grande vitesse, ainsi que la manutention et les machines-outils. Les trois grands types de machines, synchrones, asyn- chrones et SRM (Switch Reluctance Motors) ont fait l’objet de développements en mode linéaire. Nous ne nous intéres- Figure 14 : Deux philosophies opposées. 86 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques serons ici qu’aux machines asynchrones linéaires à destina- tion de propulsion urbaine. Dans la littérature anglo-saxonne, ces machines sont désignées par l’acronyme LIM (Linear In- duction Motor). La métaphore qui consiste à dire qu’il s’agit d’un moteur cylindrique classique que l’on coupe et que l’on déroule à plat est tout à fait pertinente. Dans ce cas, c’est un moteur asynchrone classique. Le bobinage stator est monté à plat sous le bogie. Cette configuration est dite « à stator court » en opposition avec les stators au sol dits « longs ». Un profilé d’acier, du type « poutrelle normale européenne (IPN) », tient lieu de rotor ; il est fixé sur la voie en face du stator. Sur ce profilé est fixée une plaque d’aluminium ou de cuivre qui tient le rôle de la cage d’écureuil. L’effort de traction va s’exercer entre le « stator » et le fer du « rotor » (le profilé), et aussi un peu la plaque. Cet ensemble constitue un moteur asynchrone qui peut se piloter comme n’importe quel autre moteur. On peut distinguer deux grandes familles de LIM : • Ceux qui sont installés sur des véhicules à sustentation magnétique (MAGLEV), pour lesquels on a sacrifié les per- formances électrotechniques au bénéfice de la légèreté. Entièrement bobinés en aluminium (stator et rotor), ils présentent des rendements énergétiques assez faibles. De plus, l’entrefer important et variable est responsable d’un facteur de puissance assez bas lui aussi, ce qui, en plus de sur-dimensionner l’électronique, grève encore davantage le bilan énergétique. En général, ces machines sont disposées de part et d’autre de l’axe du véhicule et utilisent le même ensemble au sol pour la sustentation et le « rotor ». • Ceux qui sont installés sur des véhicules à roues, qui ont de bien meilleures performances. Ils sont disposés au centre du bogie et peuvent travailler avec un entrefer faible et rela- tivement constant. Pour ce faire, des vérins ou des systèmes de cales assurent le maintien en position pour compenser les écarts de diamètres de roues ainsi que les autres impré- cisions mécaniques. La particularité de ces machines est la transmission directe de l’effort sans passer par les roues qui restent porteuses et n’assurent que le freinage de sécurité. Avantages : • pas de problèmes liés à l’adhérence et à son contrôle ; • pas de réducteur, avec son bruit, ses pertes et sa maintenance ; • moins d’usure des roues et de la voie ; • pas d’inertie de rotation supplémentaire ; • moteur ouvert facile à refroidir (vent et vitesse y suffisent) ; • pas de roulements ; • les pertes au rotor, qui sont prépondérantes, ne sont pas dissipées à l’intérieur de la machine ; • stator peu encombrant et facile à loger ; • aucune maintenance. Inconvénients :  • mauvaise utilisation des parties actives : dans tous les types de moteurs, le niveau d’effort maximum réalisable par unité de surface d’entrefer (donc de quantité de fer et de cuivre) est le même, car limité par l’induction de saturation du fer et par la densité de courant admissible. Ceci fait que la puissance produite est proportionnelle à la vitesse du déplacement relatif stator/rotor. Un métro à 80 km/h se déplace à 22 m/s : pour un moteur linéaire, ce sera la vitesse de défilement ; pour un moteur classique avec réducteur, on travaillera à environ 70 m/s. Ceci impli- que qu’à puissance égale, le moteur linéaire sera 70/22 = 3,2 fois plus lourd. Pour un moteur direct, cette vitesse de défilement est la vitesse du véhicule divisée par le rapport du diamètre rotor à celui du diamètre roue. • pertes élevées - mauvais rendement : pour des raisons de coût, la plaque tenant lieu de cage est souvent en alu- minium alors que sur les machines tournantes de traction, elle est en cuivre. Le rapport de la résistivité de ces deux métaux étant d’environ 2, les pertes rotor qui constituent la majeure partie des pertes d’une machine asynchrone se trouvent doublées. Donc la consommation électrique est très supérieure. Il a été également mis en évidence que ces pertes pouvaient poser problème pour l’échauf- fement des tunnels. Dans les zones de démarrage en sta- tion, il a même été nécessaire de mettre des plaques de cuivre pour éviter un échauffement prohibitif (Nagoya au Japon). • commentaire : à propos des deux inconvénients qui pré- cèdent, il y a lieu de faire une distinction entre les deux familles de LIM. Si le rendement des LIM en aluminium pour les applications Maglev est de l’ordre de 0,5, celui des LIM cuivre des véhicules à roues est d’environ 0,8, valeur à comparer aux 0,9 des moteurs classiques asyn- chrones, munis d’un réducteur dont le rendement est de 0,96, ce qui donne pour l’ensemble 0,86. • mauvaise utilisation du silicium  : à cause des effets de bord, de ses fuites élevées et de son large entrefer, le LIM aura un facteur de puissance nettement plus bas qu’une machine rotative. Ceci, ajouté aux pertes élevées, fait que pour une même puissance, la puissance installée de l’onduleur devra être très supérieure (coût, poids, etc.). Là aussi, il y a lieu de faire la distinction entre les deux familles de LIM. Si le facteur de puissance des LIM pour les applications Maglev est de l’ordre de 0,5, celui des LIM des véhicules à roues à entrefer plus réduit est compara- ble à celui des moteurs classiques asynchrones. • interopérabilité limitée avec les systèmes convention- nels : les véhicules classiques peuvent rouler sur les voies REE N°2/2012 ◗ 87 Propulsion ferroviaire, solutions actuelles et perspectives des véhicules LIM. Les véhicules LIM pourront aller sur les voies classiques, mais au titre de simples remorques. Quelques réalisations : - Sustentation magnétique pour applications urbaines Les systèmes de sustentation magnétique sont connus pour leurs applications dans le domaine de la grande vi- tesse où ils semblent avoir beaucoup de mal à s’imposer face aux systèmes classiques roue/rail. Leur transposition à des véhicules urbains, de format tramway ou métro léger a été tentée, et les résultats semblent plus prometteurs. Leur principe est le remplacement de l’interface roue/rail par un électro aimant embarqué qui exerce un effort d’attraction ou de répulsion sur un profil fixe en acier. Le véhicule est asservi en position par rapport à la voie via une boucle active de régulation. La traînée magnétique importante de ce dispositif le limite aux vitesses basses (< 140 km/h) Avantages : • silence de fonctionnement total, grâce à l’absence de pièces mécaniques en contact. Pour un transport urbain, ceci permet une pénétration des voies de transport au plus près des habitations, ce qui est impossible avec le système roue/rail, à cause des inévitables bruits de fonctionnement (chocs et grincements) ; • absence de pièces d’usure, roues, rails, freins, qui consti- tuent un poste de coût de maintenance important sur les systèmes classiques. Inconvénients : • système complexe nécessitant des redondances coûteu- ses pour assurer une disponibilité acceptable ; • dépense d’énergie supplémentaire pour la sustentation ; • nécessité d’un système de roulage de secours ; • utilisation de moteurs linéaire à grand entrefer de rende- ment et facteur de puissance médiocres ; • aucune interopérabilité avec les systèmes classiques ; • aiguillages et croisements complexes et coûteux. Figure 15 : Moteur du Linimo (Nagoya). Système Sustentation Constructeurs Réalisations Linimo Maglev Chubu HSST Development Corporation Nagoya Linear Metro Roues fer Hitachi Osaka, Tokyo Innovia ART 200 Roues fer Bombardier Aéroport JFK (USA) Innovia ART 200 Roues fer Bombardier Kuala Lumpur Innovia APM 100 Roues fer Bombardier Pékin Innovia ART 200 Roues fer Bombardier Vancouver Birmingham Maglev Maglev GEC, Balfour Beatty, Brush Electrical Machines Birmingham (expérimentation) Tableau 2 : Exemples de réalisations de systèmes de transport à moteurs linéaires. 88 ◗ REE N°2/2012 La nouvelle révolution des moteurs électriques Conclusions  L’évolution qui se dessine pour les équipements de trac- tion ferroviaires est similaire à celle qui est en cours dans les autres domaine : on leur demande d’être de plus en plus dis- crets, faciles à loger et d’une fiabilité à toute épreuve. En gros, de se faire oublier. De même qu’en automobile, la tendance est de ne jamais avoir à « lever le capot », l’époque est révolue où le statut d’objet technique permettait d’accepter des soins attentifs et coûteux. De nouvelles spécifications concernant l’empreinte énergétique et l’apport de nouvelles fonctionna- lités vont demander de nouveaux développements, mais ce sera toujours avec l’objectif d’une meilleure qualité de service au profit de l’exploitant et du passager. Cette évolution demandera des systèmes de propulsion de plus en plus compacts et puissants ne nécessitant que peu de maintenance, grâce à une meilleure maîtrise de la conception et des contraintes en service (maquettage vir- tuel). Les nouveaux matériaux, composites et aimants à hau- tes performances seront mis à contribution pour l’allègement des sous-ensembles. L’hybridation va s’imposer pour réduire la consommation énergétique et utilisera aussi de nouvel- les technologies : super-condensateurs, batteries lithium et volants d’inertie composites. Une meilleure intégration dans le tissu urbain pourra être apportée par les alimentations à couplage inductif, les motorisations linéaires et la sustenta- tion magnétique. En résumé, beaucoup de développements technologi- ques pour des systèmes de plus en plus discrets et perfor- mants. Figure 16 : Principe de sustentation du Linimo (Nagoya). Robert Périot est ingénieur diplômé du Conservatoire national des arts et métiers. Il a fait l’essentiel de sa carrière dans le groupe Alstom : responsable projets traction puis responsable recherche & développement à Alstom Villeurbanne  ; à Alstom Transport Tarbes, il a occupé successivement les fonctions de directeur du département engineering modules de puissance, puis d’expert dans les systèmes de traction au sein du département Innovation et recherche. Benali Boualem est docteur ingénieur en génie électrique. Il a été successivement, responsable projets conception mo- teurs (Radio Energie), responsable marketing technique moteurs (Précilec) et responsable conception machines (Alstom Ornans). Il est aujourd’hui expert moteurs électriques de traction au sein du département électrique d’Alstom Transport Ornans. les auteurs