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La traction électrique - mini synthèse sur les moteurs
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Demain
Moteurs à collecteur
Moteurs sans collecteur
Moteurs série sous courant continu
Les caractéristique incontournables de la locomotive tels que le risque de patinage et le couple fort demandé au démarrage du train font qu'à l'origine, dans les années 30, le moteur à collecteur et balais donna les meilleures satisfactions. Ce moteur à courant continu (MCC) est simple et robuste et convient d'entrée de jeu aux exigneces d'une époque encore très largement dominée par la traction vapeur.
Fonctionnement
Le MCC ferroviaire est un moteur à excitation série. Il comprend le stator fixe et le rotor, tous deux bobinés. Le rotor est prolongé d'un collecteur sur lequel frotte un conducteur sous forme de balais qui se chargent de l'alimentation aux bons moments, au prix d'etincelles et autres problèmes d'usure au fur et à mesure du passage de barre en barre. Le principe élémentaire du MCC peut être visionné en cliquant sur la photo ci-dessous.
Les locomotives sous monophasé 25kV
La France s'engagea dès les années 60 aux machines avec conversion de courant à bord. Or cette technique ne change rien au fait que les moteurs de traction restèrent d'authentiques MCC, même dans le cas de bogie monomoteur.
Les locomotives polytensions
La même technique fût utilisée pour les locomotives bi ou multitensions, avec conversion de courant à bord et alimentation de MCC, raison pour laquelle on range ces engins sous la catégorie des moteurs à collecteur.
La MCC a donc connu une grande carrière d'environ 60 années en traction ferroviaire, et a pu être décliné sous la version monophasée 15kV comme on le lira ci-contre. Il faudra attendre les années 90 et la renaissance du moteur triphasé pour le détrôner définitivement.xx Comment fonctionne-t-il ? Cliquez sur l'image
Les caractéristique incontournables de la locomotive tels que le risque de patinage et le couple fort demandé au démarrage du train font qu'à l'origine, dans les années 30, le moteur à collecteur et balais donna les meilleures satisfactions. Ce moteur à courant continu (MCC) est simple et robuste et convient d'entrée de jeu aux exigneces d'une époque encore très largement dominée par la traction vapeur.
Fonctionnement
Le MCC ferroviaire est un moteur à excitation série. Il comprend le stator fixe et le rotor, tous deux bobinés. Le rotor est prolongé d'un collecteur sur lequel frotte un conducteur sous forme de balais qui se chargent de l'alimentation aux bons moments, au prix d'etincelles et autres problèmes d'usure au fur et à mesure du passage de barre en barre. Le principe élémentaire du MCC peut être visionné en cliquant sur la photo ci-dessous.
Les locomotives sous monophasé 25kV
La France s'engagea dès les années 60 aux machines avec conversion de courant à bord. Or cette technique ne change rien au fait que les moteurs de traction restèrent d'authentiques MCC, même dans le cas de bogie monomoteur.
Les locomotives polytensions
La même technique fût utilisée pour les locomotives bi ou multitensions, avec conversion de courant à bord et alimentation de MCC, raison pour laquelle on range ces engins sous la catégorie des moteurs à collecteur.
La MCC a donc connu une grande carrière d'environ 60 années en traction ferroviaire, et a pu être décliné sous la version monophasée 15kV comme on le lira ci-contre. Il faudra attendre les années 90 et la renaissance du moteur triphasé pour le détrôner définitivement.xx Comment fonctionne-t-il ? Cliquez sur l'image
Moteurs série sous tension monophasée 16⅔ Hz
Les moteur à collecteur et balais peuvent aussi être alimenté en alternatif. Sur le réseau alternatif monophasé, l'impossibilité technique de mettre au point un moteur asynchrone dans les années 20-30 a orienté les solutions vers le moteur à excitation série qui aura le courant inducteur en phase avec l'induit. La langue allemande utilise l’appellation « commutateur », nettement mieux appropriée que « collecteur », pour bien montrer le rôle d’inverseur du courant lorsque chaque enroulement rotorique défile alternativement sous un pôle inducteur positif, puis négatif. Sous l’angle conceptuel, un moteur à courant alternatif monophasé s’apparente beaucoup à un moteur à courant continu. Pourtant, le second répond avec davantage de souplesse et de simplicité aux exigences de réglage en vitesse ou en puissance. Les constructeurs ferroviaires ont donc longtemps cherché à concilier traction en continu et électrification en alternatif, comme en atteste la première locomotive Oerlikon de la desserte Seebach-Wettingen. En Allemagne comme en Suisse le moteur à collecteur alimenté en monophasé à fréquence 16⅔ Hz, a posé dès le début, des problèmes de commutation, finalement plutôt bien résolus. Il reste cependant plus lourd, plus coûteux et de maintenance plus importante que le moteur continu.
Fonctionnement
La caractéristique de ce moteur sous monophasé est que si la charge utile ( puissance demandée ) augmente, la vitesse de rotation diminue, ce qui entraîne une diminution de la force contre-électromotrice E' et une augmentation du courant induit et inducteur et donc en finalité une augmentation du flux magnétique inducteur (donc du couple - on 'remplace' de la vitesse par de la puissance). Lorqu'on branche un moteur DC sur un réseau de même tension U , on constate que le courant absorbé, le couple du moteur et son rendement sont bien plus faibles qu'en continu. Il faut également faire attention aux étincelles sur le collecteur qui produit un échauffement.
Pour améliorer le fonctionnement du ce type de moteur avec une alimentation alternative, il faut :
• feuilleter le stator ( diminue les pertes par hystérésis et courant de Foucault),
• diminuer le nombre de spire au stator ( ce qui diminue son inductance car celle-ci est plus grande en alternatif et augmenter celui du rotor pour compenser la perte du couple (dû à la diminution du flux de l'inducteur).
• ne pas l'utiliser pour des puissances supérieures à 1 kW ( car il y a mauvaise qualité de moteur étant donné sa mauvaise commutation).
Les moteur à collecteur et balais peuvent aussi être alimenté en alternatif. Sur le réseau alternatif monophasé, l'impossibilité technique de mettre au point un moteur asynchrone dans les années 20-30 a orienté les solutions vers le moteur à excitation série qui aura le courant inducteur en phase avec l'induit. La langue allemande utilise l’appellation « commutateur », nettement mieux appropriée que « collecteur », pour bien montrer le rôle d’inverseur du courant lorsque chaque enroulement rotorique défile alternativement sous un pôle inducteur positif, puis négatif. Sous l’angle conceptuel, un moteur à courant alternatif monophasé s’apparente beaucoup à un moteur à courant continu. Pourtant, le second répond avec davantage de souplesse et de simplicité aux exigences de réglage en vitesse ou en puissance. Les constructeurs ferroviaires ont donc longtemps cherché à concilier traction en continu et électrification en alternatif, comme en atteste la première locomotive Oerlikon de la desserte Seebach-Wettingen. En Allemagne comme en Suisse le moteur à collecteur alimenté en monophasé à fréquence 16⅔ Hz, a posé dès le début, des problèmes de commutation, finalement plutôt bien résolus. Il reste cependant plus lourd, plus coûteux et de maintenance plus importante que le moteur continu.
Fonctionnement
La caractéristique de ce moteur sous monophasé est que si la charge utile ( puissance demandée ) augmente, la vitesse de rotation diminue, ce qui entraîne une diminution de la force contre-électromotrice E' et une augmentation du courant induit et inducteur et donc en finalité une augmentation du flux magnétique inducteur (donc du couple - on 'remplace' de la vitesse par de la puissance). Lorqu'on branche un moteur DC sur un réseau de même tension U , on constate que le courant absorbé, le couple du moteur et son rendement sont bien plus faibles qu'en continu. Il faut également faire attention aux étincelles sur le collecteur qui produit un échauffement.
Pour améliorer le fonctionnement du ce type de moteur avec une alimentation alternative, il faut :
• feuilleter le stator ( diminue les pertes par hystérésis et courant de Foucault),
• diminuer le nombre de spire au stator ( ce qui diminue son inductance car celle-ci est plus grande en alternatif et augmenter celui du rotor pour compenser la perte du couple (dû à la diminution du flux de l'inducteur).
• ne pas l'utiliser pour des puissances supérieures à 1 kW ( car il y a mauvaise qualité de moteur étant donné sa mauvaise commutation).
Moteurs triphasés sous tout type de tensions
La tenue en service du collecteur- tant en continu qu'en monophasé - pose cependant des limites: soumis à une vitesse périphérique telle, son contrôle et son reprofilage fréquents interdisent d’envisager un accroissement de puissance et de vitesse de rotation. Or les chemins de fer demandent davantage de vitesse (TGV, ICE) et de puissance (le fret). Il faut alors envisager un autre type de moteur que seul un immense progrès en composants de transformation de courant rend possible : le moteur triphasé, déjà testé jadis, dès 1904. Deux technologies de moteurs sont disponibles.
Moteur synchrone
En 1980, la SNCF et les constructeurs français expérimentent la solution du moteur à induction synchrone. Sa puissance massique est près du double de celle du moteur à collecteur mais son alimentation par onduleur est plus aisée que celle du moteur asynchrone. Le réglage de la tension est assuré par ponts mixtes en monophasé et par hacheur en continu ou par la combinaison des deux en formule bicourant. Aux très basses vitesses, il est cependant nécessaire d’apporter une aide à la commutation. Cette transmission a été appliquée au TGV-Atlantique d'Alstom.
Moteur asynchrone
Ce type de moteur électrique est de très loin et depuis très longtemps, le plus répandu dans toutes les applications industrielles. Sa technologie est simple :
- un stator bobiné relié aux trois phases d’un réseau ;
- un rotor constitué de tôles magnétiques à encoches, comportant un ensemble de barres conductrices reliées entre elles : c’est la « cage d’écureuil » ; aucune liaison électrique n’existe entre le rotor et son environnement.
Comment fonctionne-t-il ? Cliquez sur l'image
La tenue en service du collecteur- tant en continu qu'en monophasé - pose cependant des limites: soumis à une vitesse périphérique telle, son contrôle et son reprofilage fréquents interdisent d’envisager un accroissement de puissance et de vitesse de rotation. Or les chemins de fer demandent davantage de vitesse (TGV, ICE) et de puissance (le fret). Il faut alors envisager un autre type de moteur que seul un immense progrès en composants de transformation de courant rend possible : le moteur triphasé, déjà testé jadis, dès 1904. Deux technologies de moteurs sont disponibles.
Moteur synchrone
En 1980, la SNCF et les constructeurs français expérimentent la solution du moteur à induction synchrone. Sa puissance massique est près du double de celle du moteur à collecteur mais son alimentation par onduleur est plus aisée que celle du moteur asynchrone. Le réglage de la tension est assuré par ponts mixtes en monophasé et par hacheur en continu ou par la combinaison des deux en formule bicourant. Aux très basses vitesses, il est cependant nécessaire d’apporter une aide à la commutation. Cette transmission a été appliquée au TGV-Atlantique d'Alstom.
Moteur asynchrone
Ce type de moteur électrique est de très loin et depuis très longtemps, le plus répandu dans toutes les applications industrielles. Sa technologie est simple :
- un stator bobiné relié aux trois phases d’un réseau ;
- un rotor constitué de tôles magnétiques à encoches, comportant un ensemble de barres conductrices reliées entre elles : c’est la « cage d’écureuil » ; aucune liaison électrique n’existe entre le rotor et son environnement.
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