HACHEUR de COURANT
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1. 22 200 Co 28 mf pour un poids de 1 600 kg 2 A noter que dans ce cas le temps maximal de conduction de chaque hacheur l mentaire est gal T T 3 6 Probl me pos par les basses tensions de d marrage Pour obtenir la tension de 8 volts aux bornes du moteur de 2200 kW lors du d marrage et une intensit de 400 amperes le temps de conduction T du thyristor Th1 devrait tre e la tension en ligne tant de 1 500 volts et la fr quence de fonctionnement f du hacheur tant 300 Hz la p riode T 1 1 300 3333 microsecondes US T T 1500 x 8 3333 1500 17 us Or le temps de conduction minimal d un thyristor tant de 25 us et le temps de recharge du condensateur d extinction d environ 200 us on ne peut obtenir la tension de 8 volts avec une fr quence de fonctionnement de 300 hertz D o la n cessit d adopter un certain nombre de fr quences sous multiples de la fr quence de base 300 Hz et compatibles y compris leurs harmoniques avec la signalisation trois fr quences sont techniquement utilisables F 3 soit 100 hertz F 9 soit 33 hertz et F 27 soit 11 hertz Une autre solution peut tre utilis e pour obtenir de basses fr quences lors du d marrage celle ci appel e hacheur vernier consiste placer en s rie avec le thyristor principal Th1 une r sistance R qui fait chuter artificiellement la tension aux bornes du moteur permettant un temps de conduction de Th1 suffisa2. Cathode Cathode Cathode le thyristor ou redresseur command thyratron comprend essentiellement 4 couches semi conductrices de conductibilit altern es P N P N figure 7 l extr mit P est l anode l extr mit N est la cathode la r gion centrale P est l lectrode de commande E En l absence d impulsion de commande sur l lectrode E le thyristor est toujours non conducteur quel que soit le branchement du g n rateur Lorsque la borne d un g n rateur G est reli e l lectrode de commande E o Sila borne d un g n rateur G est reli e l anode du thyristor et la borne la cathode le thyristor est passant un courant circule en traversant le thyristor A noter que si la liaison entre G et E est interrompue ouverture de Z le courant principal traversant le thyristor continue de passer o lorsque le g n rateur G est connect dans le sens inverse le thyristor est bloqu et aucun courant ne circule travers lui Anode Cathode sia Ele ctrode de commande Lorsque le thyristor est passant g n rateur G convenablement connect et impulsion donn e l lectrode E le courant qui le traverse ne peut tre interrompu que par l ouverture de l interrupteur Z ou si la tension appliqu e la cathode borne du thyristor devient sup rieure celle de l anode borne du thyristor o Sile thyristor est reli un g n rateur fournissant d
3. en effet lorsque Th1 s teint l intensit fournie par la self L ne peut emprunter le circuit du thyristor Th sh du fait de la pr sence de la diode Dsh et par suite Th sh s teint 1 A noter sur la figure 15 la pr sence d une r sistance de shuntage permanent Rsh dont le r le est d couler la composante alternative du courant ondul qui traverse l induit du moteur la composante continue de ce courant traversant l inducteur Si on n glige l intensit passant permanence dans cette r sistance environ 10 l intensit traversant les diff rents points du circuit pour un temps de conduction T du thyristor principal Th 1 et T gt du thyristor de shuntage Th sh est repr sent e dans la figure 16 8 Freinage lectrique L quipement hacheur autorise le freinage lectrique soit rh ostatique soit par r cup ration Du fait de l quipement des sous stations des lignes lectrifi es en courant continu qui ne permet que tr s rarement le freinage par r cup ration seules les possibilit s de sch ma en freinage rh ostatique seront d crites ci apr s Depuis les BB 7411 7440 freinent en RECUP sur la Maurienne 2 en lle De France certains EAE Z2N font soit du Rh ostat soit de la R cup ration 3 de facon transparente pour le conducteur selon les besoins d nergie Deux sch mas de principe peuvent tre utilis s 1 Excitation constante Variation de l effort de retenue par variation
4. sur la locomotive CC 20002 ancienne locomotive moteurs monophas s collecteurs ce hacheur alimente les quatre moteurs de traction de la locomotive BB 9252 qui lui est accoupl e en permanence La figure 25 ci jointe donne le principe du sch ma de puissance de ce couplage noter les 2 groupes de 3 hacheurs entrelac s 20002 4 m 9252 7 172 u 103 21 v 205 wu Na 203 Tiia h 8 0 SCH MA DE PUISSANCE CARMT RISTIQUE EFFORT VITESSE CEO M 55 9200 effert juin ovn jari 4 Couplage CC20002 BB9252 Documents de la vie du Rail n 1350 de 1972 F B trn w 4 i n 27 A 22 Le Z4001 assurant une navette de service Toulouse en 1964 LVDR du 14 mars 1985 En 1974 une automotrice Z 7001 a t quip e d un hacheur d une puissance d environ 2000 kW l ments en provenance de la CC 20002 afin de tester un nouveau type de bogie Y 226 grande vitesse et effectuer diverses autres exp rimentations frein courant de Foucault L quipement comprend 3 hacheurs l mentaires entrelac s alimentant sous la tension maximale de 1 000 volts quatre moteurs de traction branch s en parall le moteurs identiques ceux mont s sur la rame exp rimentale turbines TGV 001 La figure 26 donne le principe du sch ma de puissance de cet engin moteur
5. A anode le thyristor principal Th 1 s teint 1 o CAP se d charge en alimentant le moteur M et simultan ment se charge la tension de la cat naire selon la polarit de la figure 8 circuit borne du condensateur point B moteur M rail sous station cat naire et borne du condensateur qui devient la borne o lorsque CAP est charg selon la polarit Th2 n tant plus parcouru par un courant s teint Le processus d crit ci dessus recommence chaque p riode T de fonctionnement du hacheur l instant de d blocage de Th2 variant en fonction du temps de conduction T obtenir 5 Influence des engins moteurs hacheurs sur les circuits HT de signalisation et de t l communication l intensit pr lev e la source cat naire par une locomotive hacheur se pr sente comme une succession de cr neaux Une telle forme de courant est g nante car elle entraine des chutes de tension cat naire chaque ponction de courant correspondant au temps de conduction du hacheur figure 10 La forme de la tension cat naire se trouve donc perturb e et risque d alt rer le fonctionnement des autres locomotives se trouvant dans le m me secteur lectrique commutation des moteurs lectriques des auxiliaires notamment B elle risque de perturber les circuits de signalisation En effet e courant circulant dans la cat naire varie de I max suivant la fr quence de
6. Par suite apr s un stationnement la capacit tant d charg e la fermeture du disjoncteur reviendrait mettre la sous station en court circuit 1 en cons quence e fermeture du disjoncteur est assujettie la charge pr alable de Co pas d alimentation du relais Q44 et par suite de la bobine de maintien du disjoncteur si la capacit n est pas charg e e fermeture d un contacteur C ALI FL autorise la charge de Co avant la fermeture du DJ une r sistance de 10 ohms HR ALI FL d limite l intensit et le temps environ 1 10 seconde de charge La r sistance des bobinages du circuit SF 1 et 2 GD Lo est consid rer comme n gligeable d deux parafoudres PF 1 et 2 prot gent l ensemble des circuits contre les surtensions d origine atmosph rique e un filtre Haute Fr quence constitu de deux selfs SF 1 et 2 et deux condensateurs CAP F 1 et 2 permet de limiter les perturbations radiophoniques engendr es par le hacheur CC ALIFL C ALI FL RALI FL Th Thi Th Thi Thi 3 j 2 4 b Sonde de Hall Circuit moteur 1 Circuit moteur 2 2 Protection du personnel Ind pendamment des mesures de protection du personnel prises sur les autres engins moteurs la pr sence de la capacit Co du filtre n cessite la mise en place d une s curit suppl mentaire En effet il est indispensable que cette capacit soit d charg e avant que le personnel puisse acc der aux compartiments haute tension
7. Uc Um Uo T P riode de T T fonctionnement de l interrupteur statique Zs T temps de conduction T T rapport cyclique T Dans le cas du moteur de 2 200 kW pour obtenir la tension moyenne de 8 volts au d marrage la tension ligne Uo tant de 1 600 volts le rapport cyclique devra tre gal 1 200 c est dire que si T 1 seconde le temps de conduction T de l interrupteur Zs devra tre de 5 millisecondes nous verrons plus loin les probl mes pos s par l obtention des basses tensions de d marrage Le hacheur se comporte donc comme un transformateur de tension dont le rapport de transformation est gal au rapport cyclique 4 Ouverture de l interrupteur statique Zs extinction du Thyristor de commande A rappel de quelques notions fondamentales sur les conditions de fonctionnement des diodes et thyristors ou thyratrons a diode ou redresseur sec est essentiellement constitu e de deux couches de semi conducteurs de conductibilit respectives du type P positif et N n gatif figure 6 L tat conducteur ou non d une diode est uniquement fonction de la polarit de son anode et de sa cathode o lorsque la borne du g n rateur G est reli e l anode de la diode et la borne la cathode la diode est dite passante un courant circule en traversant la diode o lorsque le g n rateur est connect dans le sens inverse la diode est bloqu e et aucun courant ne circule travers celle ci
8. cessaires au d marrage par suite la p riode de fonctionnement du hacheur T 1 1 e r glage du temps de conduction T qui d termine finalement la valeur de la tension moyenne appliqu e au moteur est obtenu en d calant de facon convenable l instant d extinction du thyristor principal Th1 par rapport son instant d allumage suivant le principe de fonctionnement suivant figure 22 ti ti ti ti ti t 12 t t t t 12 12 Fig 22 t1 allumage de Th1 et Th 1 t2 t2 allumage de Th2 extinction de Th1 t2 t1 t2 t1 temps de conduction T du hacheur Th1 e l allumage de Th1 est provoqu l instant t1 d but la p riode T et ceci suivant la fr quence f de fonctionnement du hacheur o m me instant t1 et la m me fr quence de fonctionnement que le hacheur un g n rateur labore une tension en dents de scie de caract ristique constante o dispositif compare chaque instant la tension en dents de scie et la tension de commande qui rappelons le est proportionnelle l intensit de r f rence o lorsque la tension en dents de scie a m me valeur que la tension de commande instant t2 une impulsion est appliqu e la g chette du thyristor d extinction Th2 L intervalle de temps t2 t1 d termine donc le temps de conduction e La figure 22 montre que o Sila tension de commande augmente l instant t2 est recul t 2 le temps de conduction aug
9. d fauts n cessitent une d tection et une action quasi instantan es Pour cela o la d tection est assur e par des sondes effet le disjoncteur comporte une bobine de d clenchement ultra rapide DT DJ incorpor e dans le disjoncteur et plac e sur la m me armature magn tique que la bobine de maintien mais fournissant un flux antagoniste celui engendr par cette bobine La figure 18 montre qu en cas de d faut sur un circuit l information fournie par la sonde effet Hall puis amplifi e a pour effet d alimenter le primaire d un transformateur TFDTDJ dont le secondaire commande le d blocage du thyristor Th DT DJ Le relais QDT DJ tant aliment en permanence ses contacts sont ferm s et par suite la bobine de d clenchement DT DJ est aliment e produisant un flux antagoniste celui engendr par la bobine de maintien et acc l rant ainsi le processus d ouverture du disjoncteur Toutefois il est n cessaire de d sexciter ensuite la bobine de d clenchement afin d autoriser un essai de fermeture du disjoncteur Compte tenu de la r sistance des diff rents appareils constituant le circuit RQ DT DJ Q DT DJ et DT DJ lorsque le thyristor Th DT DJ est passant la tension aux bornes de la bobine QDT DJ a tendance chuter brutalement et devenir insuffisante pour maintenir ses contacts Toutefois afin de garantir un temps d excitation suffisant de DT DJ et par suite l ouverture du disjoncteur une capacit CAP DT DJ
10. fonctionnement du hacheur Un tel courant se d compose en un courant fondamental et en plusieurs courants secondaires appel s harmoniques dont la fr quence est un multiple de la fr quence de base si la fr quence du hacheur est de x hertz les harmoniques ont pour fr quence 2x 3x 4x hertz e les circuits de signalisation quipant les lignes lectrifi es en 1 500 volts continu utilisent des courants alternatifs de fr quences diff rentes suivant les lignes titre d exemple 50 Hz 75 Hz 85 Hz 125 Hz 175 Hz C elle risque de perturber les circuits de t l communication lorsque ceux ci sont a riens ce qui est le cas notamment sur certaines sections de ligne du R seau SUD OUEST Afin de r gulariser les ponctions d intensit dans la cat naire on intercale entre la ligne et le hacheur un filtre constitu par une self Lo et une capacit Co figure 11 La capacit joue le r le d un r servoir pendant les intervalles de temps o le hacheur Th1 ne conduit pas Co se charge Lorsque Th1 conduit o la self Lo limite l accroissement de courant en provenance de la cat naire o capacit Co se d charge et fournit la plus grande partie du courant dans le circuit du moteur T Temps de conduction de Th Uu 1 Pour que Th1 s teigne il faut que U B soit sup rieure UA pendant un temps suffisant appel temps de d samorcage A titre indicatif ce temps est de l ordre de 25 mi
11. ma de la figure 4 par l adjonction d une self de lissage L et d une diode de roue libre Dr figure 5 Avec ce nouveau sch ma e l instant t1 lorsque l interrupteur Zs se ferme l tablissement du courant I est frein par la self L qui se comporte comme un r cepteur e l instant t2 l interrupteur Zs s ouvrant le courant I s annule la self L se comporte alors comme un g n rateur qui tend s opposer la diminution de l intensit Im traversant le moteur La self L engendre un courant ID de m me sens que dans le moteur qui passe par la diode de roue libre Dr l instant t3 l interrupteur Zs se ferme et le cycle recommence Gr ce ce montage le moteur est travers en permanence par un courant ondul IM En r alit la tension p riodique d livr e aux bornes du moteur par le hacheur se d compose en deux tensions une composante alternative et une composante continue figure 5 La self induction du moteur tant tr s faible par rapport celle de la self L la composante continue tension moyenne Um apparait pratiquement aux bornes du moteur alors que la composante alternative se trouve report e aux bornes de la self de lissage dont les variations de flux donnent naissance la force lectromotrice qui engendre le courant ID pendant le temps t3 t2 o l interrupteur statique ne conduit pas La tension appliqu e aux bornes du moteur est donc une tension continue qui a pour valeur moyenne
12. noter les enroulements des patins de frein courants de Foucault FEM 1 4 qui sont aliment s deux deux par bogie en s rie par le g n rateur constitu par l un des moteurs de traction du bogie correspondant excitation s par e La Z7001 appel e ZEBULON avait surtout pour but de tester la transmission tripode des TGV une locomotive BB 15000 15007 du d p t de Strasbourg fut quip e par les ateliers d Hellemmes d un ensemble hacheur de 4400 kW suivant le sch ma de puissance faisant l objet de la figure 27 ci jointe Cette locomotive baptis e BB 7003 constitua le prototype des locomotives hacheurs de la s rie BB 7200 command es en 1974 Mise en service au cours du dernier trimestre 1974 elle effectua de nombreux essais sur les r seaux SUD EST et SUD OUEST E x P sad tf n T C Z 7001 Thi 4 Moteur 2 A noter que o Le freinage lectrique est un freinage rh ostatique excitation s par e variable l alimentation des inducteurs des moteurs tant r alis e par l interm diaire des thyristors principaux Th 1 Th3 o compte tenu du taux de shuntage obtenir environ 66 96 et afin d conomiser des semi conducteurs de puissance seuls deux hacheurs l mentaires sur trois de chaque moteur comportent un thyristor de shuntage e Au cours de l ann e 1976 les deux premi res s ries de locomotives hacheur de courant seront mises circulation la SNCF
13. o cours du premier trimestre sortie de la BB 7201 dont le principe du sch ma de puissance fait l objet de la figure 27 sch ma identique la BB 7003 Les locomotives de ce type furent d abord affect es au R seau du SUD EST e Au cours du troisi me trimestre sortie de la BB 22201 locomotive bicourant 1500 volts continu 25000 volts 50 Hz alternatif dont le principe du sch ma de puissance fait l objet de la figure 28 Cette figure montre que le sch ma de base retenu est celui de la BB 7200 les hacheurs tant aliment s soit directement par la cat naire en 1500 volts continu soit par l interm diaire d un ensemble transformateur rapport fixe pont de redresseurs en courant alternatif ETE 7 NU PX 2 991 rs 12 lt n LAN ee a pa X 4 PA 52 bs 5 o uuu m AT 7201 7440 rer BB 22201 22405 Les locomotives de ce type furent affect es aux R seaux OUEST et SUD EST e Vers 1980 apparaissaient deux nouveaux types de mat riel utilisant les hacheurs de courant o d une part les T G V circulant sur la ligne nouvelle Paris Lyon o d autre part les l ments automoteurs circulant sur lignes de De France du type Z2N vers moteur 2 Rame Z2N TGV PSE
14. sch ma de la figure 9 lorsque le thyristor Th2 est d bloqu le condensateur CAP se charge la tension de la cat naire avec la polarit Or pour obtenir l extinction de Th1 il est n cessaire d inverser la polarit de CAP afin d obtenir une tension cathode UB sup rieure la tension anode UA en effet lorsque CAP a la polarit la tension au point B est la somme des tensions des deux g n rateurs en s rie sous station et condensateur soit environ 3000 volts Cette inversion est r alis e gr ce au circuit appel circuit oscillant constitu par CAP le thyristor Th 1 et la self L dans les conditions suivantes e dans un premier temps le thyristor Th2 tant bloqu et CAP charg les thyristors Th1 et Th 1 thyristor d extinction sont excit s o le hacheur conduit et le moteur M est aliment o sous l effet du courant oscillatoire la polarit de CAP s inverse 1 1 Dans un circuit constitu d un condensateur et d une self de valeurs d termin es il se produit un courant oscillatoire ayant pour effet d inverser la polarit du condensateur suivant une fr quence r guli re Dans le cas de la figure 8 lorsque le courant oscillatoire veut s inverser Th 1 s y oppose et la polarit de CAP subsiste e dans un deuxi me temps Th2 est d bloqu CAP se trouve en s rie avec la source 1 500 volts o la tension au point B cathode de Th 1 devient sup rieure celle du point
15. HACHEUR de COURANT L ACTGV a publi dans le bulletin d informations de d cembre 1994 un article sur ce sujet Brillant article r dig par M COSSIE Ing nieur la SNCF dont les qualit s professionnelles exceptionnelles taient accompagn es d une remarquable aisance en mati re de vulgarisation Cet article tait par ailleurs pr fac par Ms ROY Secr taire de l ACTGV et JODAR agent de l OCTGV PSE Il est apparu utile l intention des jeunes t g vistes qui rejoignent l ACTGV et tous nos adh rents de d velopper nouveau ce th me puisque cette technologie concerne d sormais la majorit du parc SNCF La g n ration d engins moteurs courant continu utilisant des l ments lectroniques de puissance a permis de donner une nouvelle impulsion ce mode de traction d sormais le plus r pandu Les inconv nients pr sent s par les engins moteurs ancienne g n ration rh ostat comme le manque de souplesse de la conduite li au nombre limit de crans de marche et surtout les pertes d nergie gaspill e dans les r sistances ont disparu 1 Rappel du probl me pos par la mise en vitesse d un train en traction lectrique De par ses caract ristiques le moteur courant continu excitation s rie est actuellement le plus commun ment utilis en traction lectrique L utilisation de ce type de moteur pose n anmoins un certain nombre de probl mes et en particulier celui de sa mise en vi
16. assure en se d chargeant dans la bobine du relais QDT DJ la temporisation n cessaire Relais de protection effet Hall Bobine de d clenc heme nt OTOJ de maintien 100a D b le filtre est un l ment favorable pour la protection du hacheur contre les surtensions rencontr es en ligne et provenant de causes diverses ouverture en charge de disjoncteurs fusion de fusibles il permet en effet par la pr sence de la self et de la capacit d amortir ces surtensions figure 20 Par contre l arr t accidentel et brutal du hacheur peut entrainer par oscillation du circuit Lo Co avant ouverture du disjoncteur des surtensions aux bornes du hacheur en effet un instant donn la capacit Co et la sous station forment un circuit comportant deux g n rateurs en s rie et par suite la tension appliqu e l entr e de Th1 est gale la somme des tensions d livr es par ces g n rateurs Pour assurer la protection du hacheur contre les surtensions un dispositif cr teur limite la tension une valeur acceptable figure 20 la conduction du thyristor ThE permet d couler la charge de la capacit Co du filtre la r sistance RE limitant l intensit de d charge et le relais QE commandant l ouverture du disjoncteur une r sistance RD 1 CAP FL de 5000 ohms branch e aux bornes de la capacit Co permet la d charge lente de cette capacit 40 secondes environ lorsque le disjoncteur est ouvert
17. ceux qui seraient engendr s par un courant moyen Im traversant le r cepteur d une facon continue Ce courant moyen Im serait le r sultat de l application d une tension moyenne Um x Im appliqu e aux bornes du r cepteur et qui serait proportionnelle o p riode de fonctionnement de l interrupteur Z T o au temps de fermeture de l interrupteur Z T ou temps de conduction On voit que pour une m me p riode de fonctionnement T si l on fait varier le temps de conduction entre O et T la tension moyenne Um varie de O Uo tension maximale d livr e par le g n rateur Le principe nonc ci dessus est celui du Hacheur de courant dont la r alisation n est devenue possible qu avec l emploi des diodes et des thyristors En effet seule l lectronique permet d obtenir le fonctionnement d un tel dispositif cadence rapide de l ordre de la milliseconde 9 Notions fondamentales sur les hacheurs En partant du principe nonc ci dessus le sch ma de principe d une locomotive courant continu un seul moteur peut tre celui de la figure 2 ci dessus dans laquelle un interrupteur statique Zs permet la mise sous tension p riodique du moteur La tension moyenne Um appliqu e aux bornes du moteur varie avec le temps de fermeture de l interrupteur Toutefois ce sch ma simple montre que l intensit obtenue est discontinue Par suite afin d obtenir une intensit continue il est n cessaire de compl ter le sch
18. cro secondes au lieu de 200 ps pour les thyristors moins labor s quipant les engins moteurs courant alternatif La figure 12 montre la forme de l intensit dans les diff rentes parties du circuit du fait de l incorporation filtre En ce qui concerne les perturbations engendr es dans les circuits de signalisation et de t l communication par la caract ristique des courants qui passent dans le rail la valeur de la fr quence retenue pour le fonctionnement du hacheur est de 300 hertz A noter que l augmentation de la fr quence permettrait de limiter la dimension du filtre 1 mais la technique m me des thyristors impose un temps de conduction minimal de l ordre de 25 microsecondes qui s oppose donc l utilisation de fr quences lev es Par suite un autre proc d est utilis pour diminuer le dimensionnement du filtre qui consiste augmenter artificiellement la fr quence du hachage en entrela ant plusieurs hacheurs l mentaires qui fonctionnent la fr quence f et d bitent en parall le sur le moteur M figure 13 Le fonctionnement des hacheurs est d cal dans le temps un tiers de p riode dans le cas de 3 hacheurs entrelac s La figure 14 montre la forme du courant traversant les trois thyristors entrelac s 2 atenaire UT Lo 1 A titre d exemple et pour montrer l int r t de diminuer les dimensions du filtre sur les locomotives BB 7200 Co 8 mf pour un poids de 1200 kg e sur les locomotives B
19. du d bit figure 17 L inducteur du moteur est aliment par un dispositif d excitation s par e et le hacheur principal Th1 est plac en parall le sur la r sistance de freinage RF Le d blocage judicieux de Th1 fait varier la r sistance apparente de la r sistance RFr depuis sa valeur maximale temps de conduction T jusqu une valeur pratiquement nulle T T 2 Excitation variable Rh ostat de freinage valeur constante figure 18 L induit d bite dans une r sistance de freinage RFr de valeur constante Le r glage de l effort de retenue est r alis en faisant varier le champ inducteur du moteur cette variation est obtenue par le d blocage judicieux du hacheur principal Th1 champ nul si le temps de conduction de Th1 champ maximal si T par exemple e Le sch ma montre que le hacheur ne peut jamais tre d bloqu enti rement T T en effet il serait impossible d teindre le thyristor de shuntage ce qui aurait pour cons quence de court circuiter l inducteur du moteur De m me t dans le cas de trois hacheurs entrelac s et pour les m mes raisons T T 3 e freinage de maintient seulement e Avec priorit la RECUP Dispositif Excitation d extinction s par e Catenaire Dis positif d extinction 9 Protections d un engin moteur hacheur 1 Protection du mat riel a Compte tenu des temps extr mement courts utilis s pour la commande d un hacheur temps de cond
20. e de trains arr ts fr quents banlieue e d autre part les puissances instantan es importantes que doivent fournir les sous stations en particulier lorsque plusieurs trains d marrent simultan ment dans un m me secteur lectrique D o l int r t des recherches tendant obtenir simplement toutes les valeurs de tension n cessaires la mise en vitesse d un moteur aliment en courant continu 272 4 14 LE A AZ 217 st BB15000 2 Comment transformer simplement la tension d un courant continu Une id e simple consiste d biter la tension constante fournie par un g n rateur courant continu en tranches fines suivant un rythme assez rapide dont on fait varier la dur e et les intervalles Dans le sch ma le g n rateur G fournit une tension constante Uo e l instant to l interrupteur Z tant ouvert la tension U aux bornes du r cepteur R r sistance pure est gale O e l instant t1 l interrupteur Z tant ferm la tension U aux bornes du r cepteur passe de Uo tension fournie par le g n rateur e l instant t2 l interrupteur Z tant ouvert la tension U passe de la valeur Uo O e l instant t3 l interrupteur Z est ferm et U passe de la valeur Uo etc Les effets engendr s dans le r cepteur R par le passage intervalles r guliers du courant 1 Uo R sont quivalents
21. e fonctionnement des s curit s pour viter cela un dispositif sp cial ajuste tout instant le courant d affiche et la tension aux bornes du circuit de traction o de dispositif d antipatinage si un patinage est d tect par ce dispositif celui ci agit automatiquement afin de diminuer brutalement l intensit affich e par le m canicien Lorsque le patinage cesse ce m me dispositif permet l augmentation progressive de l intensit jusqu la valeur initiale affich e l intensit r sultant de celle affich e par le m canicien et corrig e le cas ch ant par les dispositifs ci dessus est appel e Intensit de r f rence e une mesure de courant permet de contr ler tout instant l intensit du courant parcourant le circuit du hacheur e un r gulateur d intensit compare l intensit de r f rence avec l intensit mesur e au hacheur A partir de cette comparaison il labore une tension de commande u telle que o Sil intensit du hacheur est sup rieure l intensit de r f rence diminue o Sil ntensit du hacheur est inf rieure l intensit de r f rence augmente e fonctionnement correct d un hacheur n cessitant une fr quence de fonctionnement tr s pr cise l allumage de Th1 est assur par un oscillateur quartz qui permet d obtenir avec pr cision la fr quence de base f de 300 hertz et ses sous multiples pour l obtention des basses tensions n
22. impos e VI ne pose aucun probl me Locomotive 1500 volts 2 moteurs de traction et ntesse limite 150 km locomotive hacheur locomotive traditionnelle Couplage s rie Couplage parall le 4000 Champ maximal 3600 3300 2000 40004 2400 2000 i gt 15004 1600 1200 7 4 Bl 7 4 S kmimh 100 150 180 WV Slkmi 100 150 180 WV Courbe effort vitesse absorb e la cat naire pendant le d marrage Fig 24 Fig 43 12 Historique des r alisations effectu es par la SNCF dans le domaine des hacheurs de courant A partir de 1965 les premi res exp rimentations et mises en service de hacheurs 1 500 volts de faible puissance sont effectu es o hacheur de 2 kW destin assurer la charge de la batterie d accumulateurs sur des locomotives BB 9200 o hacheur de 20 kW destin assurer la charge des batteries 72 volts et 30 volts et l excitation des moteurs de traction lors de la marche en freinage rh ostatique CC 6500 et CC 21000 o En 1966 montage d un hacheur de 40 kW alimentant sous tension r glable les deux groupes moteurs ventilateurs de traction mont s en s rie d une locomotive BB 9200 9283 o En 1968 quipement de quatre engins moteurs 1 500 volts Z 4001 et 4002 Z 4203 hacheur de 600 kW pouvant fonctionner en freinage rh ostatique et en freinage par r cup ration et locomotive BB 17 hacheur de 1200 kW o 1971 un hacheur de 4400 kW est install
23. mente T et par suite la tension moyenne aux bornes du moteur augmente o inversement si la tension de commande diminue l instant t2 est avanc le temps de conduction diminue et par suite la tension moyenne aux bornes de moteur diminue o Lorsque la tension maximale est obtenue aux bornes du moteur le shuntage continu de ses inducteurs est mis en action automatiquement pas de manette de shuntage Nota Avec le syst me de r gulation utilis affichage d intensit si un essieu patine la force contre lectromotrice du moteur li m caniquement cet essieu augmentant l intensit a tendance diminuer le syst me de r gulation tend maintenir l intensit affich e et par suite amplifier le ph nom ne d emballement Seul le dispositif d antipatinage permet comme on l a vu ci dessus de diminuer automatiquement l intensit de r f rence Toutefois afin d viter la mise en survitesse d un moteur en cas de mauvais fonctionnement du dispositif d antipatinage il a t n cessaire de mettre en place un relais de survitesse agissant sur la chaine de maintien du disjoncteur 11 Avantages des engins moteurs hacheur 1 La propri t du hacheur fonctionnant en transformateur est tr s appr ciable au cours des d marrages En effet sur une locomotive traditionnelle l intensit est limit e par les possibilit s du rh ostat et celles du captage dont la qualit se d grade pour des intensit s sup rieures 4000 amp
24. nsion ligne anitipatinadge courant hacheur Pour lib rer le m canicien d une telle surveillance le fonctionnement des hacheurs est pilot par un r gulateur d intensit le principe de la commande d un engin hacheur est alors le suivant figure 21 e m canicien l aide du manipulateur de traction d termine une intensit d affiche et par suite un effort la jante chaque position du manipulateur correspond une intensit d affiche Cette intensit peut recevoir des correctifs de la part de dispositifs automatiques tenant compte de divers param tres en particulier o le dispositif de vitesse impos e VI sur les engins quip s de ce dispositif lorsque la vitesse du train tend atteindre la vitesse affich e par le m canicien le dispositif de VI agit automatiquement afin de diminuer et annuler si n cessaire l intensit d affiche o la valeur de la tension en ligne toute diminution instantan e de la tension aux bornes du circuit de traction d faillance de l alimentation HT ou mauvaise captation due un d collement du pantographe ou la pr sence de givre sur les fils de contact ayant pour effet de diminuer l intensit traversant ce circuit celle ci devient inf rieure l intensit d affiche et le dispositif de commande tend augmenter le temps de conduction du hacheur Lorsque la tension revient sa valeur normale l intensit aurait tendance augmenter brutalement provoquant l
25. nt pour permettre la charge du condensateur d extinction On fait varier la tension moyenne aux bornes du moteur en d bloquant en temps opportun le thyristor ThR plac en parall le sur la r sistance R fig 13 Lorsque le d marrage est obtenu ThR d bloqu en permanence court circuite la r sistance de d marrage Cette solution fut retenue lors de l tude des l ments automoteurs lectriques bicourant pour la SNCF Z8100 et la RATP MI 79 pour les lignes du m tro ligne de Sceaux et de la banlieue parisienne Cergy Pontoise Nanterre Roissy en France Gare du Nord etc 2 55 A L TT r a f Rames RATP et SNCF 7 R glage du champ inducteur des moteurs de traction Autrefois sur les locomotives courant continu le r glage du champ inducteur des moteurs de traction tait r alis par court circuitage d un certain nombre de spires des inducteurs ou par shuntage de ceux ci par des r sistances Sur les locomotives hacheur il est r alis un r glage continu du champ inducteur des moteurs de traction figure 15 Un thyristor Th sh est branch en parall le sur l inducteur du moteur M l allumage de Th sh permet d couler une partie de l intensit qui traverse l induit du moteur en dehors de l inducteur plus le temps de conduction 77 du Th sh est important plus le taux de shuntage obtenu est important Le thyristor de shuntage s teint en m me temps que le thyristor principal Th1
26. pour ce faire e man uvre de la boite de verrouillage BVR provoque la mise la terre de la capacit Co par l interm diaire d une r sistance RO2 CAP FL fixant l intensit et le temps de d charge de l ordre de 2 secondes e l extinction d une lampe de signalisation LS CAP FL plac e proximit de la boite de verrouillage indique que la capacit est d charg e 10 Conduite d un engin moteur hacheur de courant Nous avons vu pr c demment que l obtention du temps de conduction variable du hacheur permettait de faire varier de O U max la tension moyenne aux bornes du moteur et en cons quence d obtenir les diff rents efforts moteurs n cessaires pour la remorque d un train Or la commande directe du temps de conduction du hacheur exigerait une surveillance permanente des amp reme tres et toute fausse man uvre entrainerait le d passement de l intensit admissible et le fonctionnement des dispositifs de protection c est cette contrainte qui justifie les r gles tr s strictes d utilisation en application du guide de d pannage lors de la commande secours traction sur les BB7200 G n rateur de tension en dents de scie Di sp os d allum age Intensit de de Th Allumage Thi et M anipulateur de TT iM 1 la fr quence Affiche d intensit R gulate ur F et sous multiples d intensit oscillateur quartz com m ande Corrections 18556 impos e te
27. res alors que sur une locomotive hacheur la seule limitation est celle impos e par le captage Or cette derni re ne se trouve atteinte qu la fin de la p riode de mise en vitesse tension aux bornes du moteur tension en ligne c est dire lorsque le rapport de transformation est pratiquement gal 1 Cette propri t permet d accepter pendant les d marrages une surcharge gale 1 7 fois l intensit du r gime continu Par ailleurs les sous stations n ayant plus fournir que la puissance absorb e par les moteurs de traction plus de puissance dissip e en chaleur dans un rh ostat les possibilit s offertes pour le d marrage simultan de plusieurs trains dans un m me secteur lectrique sont accrues figure 23 2 Les pertes dans le rh ostat tant supprim es il en r sulte une conomie d nergie qui est appr ciable dans le cas de trains d marrages fr quents en particulier pour des automotrices de banlieue 3 La conduite d une locomotive hacheur est identique celle d une locomotive monophas e thyristors c est dire que toutes les positions du manipulateur de traction correspondent des points de fonctionnement pouvant tre utilis s en permanence infinit de crans de marche conomique dans le plan effort vitesse de la figure 24 4 La locomotive hacheur se pr te l utilisation de dispositifs automatiques en particulier l application d un dispositif de vitesse
28. tesse A titre d exemple la r sistance interne d un moteur courant continu de 2 000 kW quipant les locomotives BB 15000 est d environ 0 02 ohm si l intensit n cessaire pour obtenir le d marrage de la locomotive est de 400 amp res la tension appliquer aux bornes de ce moteur doit donc tre 0 02 x 400 8 volts Or la tension d livr e par la cat naire est de 25000 volts en monophas et de 1500 volts sur lignes lectrifi es en courant continu e en 25000 volts il est ais d abaisser la tension d un courant alternatif l aide d un transformateur classique en 1500 volts continu il n en est pas de m me et jusqu ces derniers temps il tait n cessaire d abaisser artificiellement la tension d livr e par la cat naire o par l utilisation de diff rents couplages des moteurs de traction o par l utilisation de r sistances plac es en s rie avec les moteurs Dans le cas du moteur cit ci dessus lors du d marrage la puissance absorb e par les moteurs de traction locomotive deux moteurs coupl s en s rie serait de 400 x 8 x 2 6 400 watts ou 6 4 kW alors que la puissance fournie par la sous station serait de 1 500 x 400 600 000 watts ou 600 kW Ce rapide calcul fait apparaitre ind pendamment d autres inconv nients dans le domaine de la conduite que nous verrons ult rieurement e d une part les pertes importantes dissip es par effet joule dans le rh ostat en particulier lors de la remorqu
29. u courant alternatif lors de l alternance pendant laquelle la borne du g n rateur est reli e l anode du thyristor celui ci se d bloque d s qu une impulsion est donn e l lectrode de commande la fin de cette alternance l intensit traversant le thyristor devenant nulle celui ci s teint automatiquement figure 8 o si le thyristor est reli un g n rateur courant continu son extinction n cessite un montage particulier que nous tudierons ci apr s Catenaire Pantographe Cathode Sous station oscillatoire EL Point fermeture momentan e de Finterrupte ur 2 Fig 8 B Extinction du thyristor de commande d un hacheur Dans la figure 9 l interrupteur statique Zs de la figure 4 est remplac par un thyristor de puissance qui est d bloqu intervalles r guliers impulsion donn e l lectrode de commande suivant la p riode T Lorsque la g chette de Th1 recoit une impulsion de courant le thyristor Th1 conduit et le moteur M est aliment Le probl me consiste teindre Th1 l instant voulu la solution retenue sur les engins moteurs hacheurs consiste placer en parall le sur Th1 un g n rateur qui permet lorsque son circuit est ferm d obtenir une tension la cathode de Th1 point B sup rieure la tension de son anode point A soumis la tension de la cat naire soit 1500 volts Le g n rateur est constitu par un condensateur CAP branch selon le
30. uction maxi de l ordre de 3 millisecondes il est possible d auto prot ger le circuit de puissance par extinction et blocage du hacheur correspondant Ceci n cessite toutefois une d tection ultra rapide des d fauts d passement de l intensit par exemple la solution retenue pour proc der aux diff rentes mesures intensit tension consiste utiliser des sondes effet HALL dont le principe fait l objet de l annexe Toutefois en cas de d faut sur les circuits de commande ou de puissance du hacheur m me il pourrait tre impossible d obtenir l extinction des thyristors principaux par suite il est indispensable d assurer la protection g n rale des circuits de puissance et des auxiliaires par un disjoncteur ultra rapide Le disjoncteur utilis est du type HRKS quipant d j un grand nombre de locomotives Ce disjoncteur lectropneumatique a subi quelques modifications afin de le rendre plus performant temps d ouverture demand 2 millisecondes en particulier figure 19 e bobine de maintien est aliment e par un g n rateur d livrant une tension stabilis e g n rateur ALMA Alimentation Matra et sa valeur constante aux bornes de la bobine 30 volts 5 96 et par suite une fid lit de fonctionnement du disjoncteur appr ciable e ind pendamment des dispositifs de protection agissant directement sur le circuit de la bobine de maintien du disjoncteur relais diff rentiel QD relais de surcharge certains
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