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La traction électrique à courant continu - Le thyristor
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Caractéristiques générales
Caténaire : continue 1,5kV ou 3kV
Moteurs : à collecteur et à courant continu
Variation de la vitesse : variation de tension par hacheur de tension.
Avantages : une meilleure maîtrise du risque de patinage, traction de trains très lourds et vitesse plus élevée, des objectifs irréalisables avec les machines à rhéostat.
Les engins à hacheurs
SNCB = 20, 21, 27... - SNCF = 7200/300... - FS = e632/633...
L'apparition des composants de puissance (diodes et thyristors) ont permis de commuter des courants importants. C'est ainsi qu'au milieu des années 70, les machines produites ont été équipées de hacheurs à thyristors. Cette architecture permet d'éliminer les systèmes à résistance de la page précédente et de palier au manque de finesse des rhéostats, dont la particularité étaient les à-coups à chaque passage de cran. Les traditionnels dispositifs de changement de couplage n'existent plus et on obtient une continuité des réglages permettant de nettement mieux maîtriser le risque de patinage, on bénéficie d'une rapidité des actions et des protections et les énormes appels d'intensité au démarrage disparaissent. Enfin il y a une diminution substantielle des coûts de maintenance même si on reste encore toujours avec des MCC à collecteurs et balais.
Le hacheur
C'est un variateur de courant à pulsations qui permet de régler la tension moyenne aux bornes du moteur. Il se compose d'un contacteur statique et d'une diode de roue libre. Le contacteur fonctionne comme un interrupteur que l'on ouvre et l'on ferme alternativement. La diode de roue libre conduit le courant pendant l'ouverture du contacteur statique. La technique du hachage de courant est schématisée ci-dessous :
Caténaire : continue 1,5kV ou 3kV
Moteurs : à collecteur et à courant continu
Variation de la vitesse : variation de tension par hacheur de tension.
Avantages : une meilleure maîtrise du risque de patinage, traction de trains très lourds et vitesse plus élevée, des objectifs irréalisables avec les machines à rhéostat.
Les engins à hacheurs
SNCB = 20, 21, 27... - SNCF = 7200/300... - FS = e632/633...
L'apparition des composants de puissance (diodes et thyristors) ont permis de commuter des courants importants. C'est ainsi qu'au milieu des années 70, les machines produites ont été équipées de hacheurs à thyristors. Cette architecture permet d'éliminer les systèmes à résistance de la page précédente et de palier au manque de finesse des rhéostats, dont la particularité étaient les à-coups à chaque passage de cran. Les traditionnels dispositifs de changement de couplage n'existent plus et on obtient une continuité des réglages permettant de nettement mieux maîtriser le risque de patinage, on bénéficie d'une rapidité des actions et des protections et les énormes appels d'intensité au démarrage disparaissent. Enfin il y a une diminution substantielle des coûts de maintenance même si on reste encore toujours avec des MCC à collecteurs et balais.
Le hacheur
C'est un variateur de courant à pulsations qui permet de régler la tension moyenne aux bornes du moteur. Il se compose d'un contacteur statique et d'une diode de roue libre. Le contacteur fonctionne comme un interrupteur que l'on ouvre et l'on ferme alternativement. La diode de roue libre conduit le courant pendant l'ouverture du contacteur statique. La technique du hachage de courant est schématisée ci-dessous :
Le thyristor rapide de forte puissance
Le pas supplémentaire est franchi dès lors que le thyristor peut être utilisé en continu. En lieu et place du rhéostat de démarrage, lourd et encombrant, d’un rendement déplorable puisqu’il gaspille l’énergie en pure perte, le thyristor règle le courant nécessaire au moteur en phase de démarrage, à l’issue de laquelle, en pleine conduction, il autorise la pleine tension donc la vitesse maximale : c’est le hacheur, développé à grande échelle sur les BB 7200 et de nombreuses séries de locomotives en Europe, comme présenté ci-contre.
Les montages à thyristors permettent d'assurer diverses fonctions : réglage de tension - réglage de champ - freinage électrique
Principe de fonctionnement
Pour faire fonctionner un hacheur, le thyristor est successivement dans un état « bloqué » puis « conducteur ». Lorsque le thyristor reçoit une impulsion de courant par la gâchette, il « conduit » et le moteur est alimenté. Le thyristor « classique » nécessite une interruption du courant principal pour repasser en état « bloqué ». Le problème consiste à l'éteindre à l'instant voulu dans des temps extrêmement courts de l'ordre de 3 millisecondes. On active dans ce cas un second thyristor qui va alors permettre la décharge d'une capacité à travers la cathode du premier thyristor : c'est la commutation forcée. Après l'extinction du courant, le thyristor a besoin d'un temps de repos avant de retrouver son pouvoir bloquant. Lorsque la tension repasse par zéro, on envoie un courant dans le thyristor. La tension aux bornes du thyristor est positive, il entre alors en conduction en se comportant comme un interrupteur fermé et le thyristor « reconduit » à nouveau pour alimenter le moteur.
Au début des années 90, on a vu l'apparition du thyristor GTO (Gate Turn-Off), présentant l'avantage d'être commandé à l'ouverture, c'est à dire blocable par la gâchette, qui consiste à détourner la quasi totalité du courant d'anode dans la gâchette. Le courant "sort" donc de la gâchette. En pratique, on applique une tension négative sur la gâchette pour détourner le courant. L'opération doit avoir une durée minimale pour assurer un blocage fiable et non dangereux pour le GTO. Le rendement, qui est de 90 à 95% avec un thyristor classique, passe à 98% avec le GTO.
Technique de pilotage
Sur une locomotive à hacheur, il n'y a pas de changement de couplage et tous les moteurs sont couplés en parallèle sur le même hacheur. Alors que sur une locomotive traditionnelle l'intensité est limitée par les possibilités du rhéostat, sur une locomotive à hacheur, la seule limitation est celle imposée par le captage.
Le principe de fonctionnement du hacheur se décompose en deux modes :
- le mode vernier pour les premiers instants du démarrage du moteur;
- le mode normal après les limites du mode vernier.
Le pas supplémentaire est franchi dès lors que le thyristor peut être utilisé en continu. En lieu et place du rhéostat de démarrage, lourd et encombrant, d’un rendement déplorable puisqu’il gaspille l’énergie en pure perte, le thyristor règle le courant nécessaire au moteur en phase de démarrage, à l’issue de laquelle, en pleine conduction, il autorise la pleine tension donc la vitesse maximale : c’est le hacheur, développé à grande échelle sur les BB 7200 et de nombreuses séries de locomotives en Europe, comme présenté ci-contre.
Les montages à thyristors permettent d'assurer diverses fonctions : réglage de tension - réglage de champ - freinage électrique
Principe de fonctionnement
Pour faire fonctionner un hacheur, le thyristor est successivement dans un état « bloqué » puis « conducteur ». Lorsque le thyristor reçoit une impulsion de courant par la gâchette, il « conduit » et le moteur est alimenté. Le thyristor « classique » nécessite une interruption du courant principal pour repasser en état « bloqué ». Le problème consiste à l'éteindre à l'instant voulu dans des temps extrêmement courts de l'ordre de 3 millisecondes. On active dans ce cas un second thyristor qui va alors permettre la décharge d'une capacité à travers la cathode du premier thyristor : c'est la commutation forcée. Après l'extinction du courant, le thyristor a besoin d'un temps de repos avant de retrouver son pouvoir bloquant. Lorsque la tension repasse par zéro, on envoie un courant dans le thyristor. La tension aux bornes du thyristor est positive, il entre alors en conduction en se comportant comme un interrupteur fermé et le thyristor « reconduit » à nouveau pour alimenter le moteur.
Au début des années 90, on a vu l'apparition du thyristor GTO (Gate Turn-Off), présentant l'avantage d'être commandé à l'ouverture, c'est à dire blocable par la gâchette, qui consiste à détourner la quasi totalité du courant d'anode dans la gâchette. Le courant "sort" donc de la gâchette. En pratique, on applique une tension négative sur la gâchette pour détourner le courant. L'opération doit avoir une durée minimale pour assurer un blocage fiable et non dangereux pour le GTO. Le rendement, qui est de 90 à 95% avec un thyristor classique, passe à 98% avec le GTO.
Technique de pilotage
Sur une locomotive à hacheur, il n'y a pas de changement de couplage et tous les moteurs sont couplés en parallèle sur le même hacheur. Alors que sur une locomotive traditionnelle l'intensité est limitée par les possibilités du rhéostat, sur une locomotive à hacheur, la seule limitation est celle imposée par le captage.
Le principe de fonctionnement du hacheur se décompose en deux modes :
- le mode vernier pour les premiers instants du démarrage du moteur;
- le mode normal après les limites du mode vernier.
HLE 2123 SNCB
e652 Trenitalia (FS)
251 Renfe
BB 7313 SNCF
Les prescriptions concernant la signalisation demandent l'installation d'un hacheur à fréquence fixe et temps de conduction variable, avec une fréquence de pilotage s'étalant de 300Hz ou 600Hz selon la technologies des semiconduc-teurs et des performances de traction. En règle général, on place un hacheur par bogie moteur et les commandes respectives sont imbriquées.
La structure du hacheur est du type :
- à thyristor classique;
- à thyristor GTO
La structure du hacheur est du type :
- à thyristor classique;
- à thyristor GTO
