FR3106324A1 - Chaîne de traction pour un véhicule ferroviaire et véhicule ferroviaire associé - Google Patents

Chaîne de traction pour un véhicule ferroviaire et véhicule ferroviaire associé Download PDF

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Abstract

Chaîne de traction pour un véhicule ferroviaire et véhicule ferroviaire associé La présente invention concerne une chaîne de traction (10) pour un véhicule ferroviaire, la chaîne de traction (10) étant alimentée par une source d’alimentation électrique (16) fournissant une tension, dite tension d’alimentation, la chaîne de traction (10) comprenant : - deux moteurs de traction (12), - deux paires (24A, 24B) sensiblement identiques d’onduleurs (30), les onduleurs (30) de chaque paire (24A, 24B) étant propres à alimenter un même moteur de traction (12) distinct de l’autre paire d’onduleurs (24A, 24B), - des moyens de commutation (26) propres à configurer les deux paires d’onduleurs (24A, 24B) en série ou en parallèle de sorte que la tension aux bornes de chaque paire d’onduleurs (24A, 24B) est égale à : la tension d’alimentation lorsque les paires d’onduleurs (24A, 24B) sont connectées en parallèle, et la moitié de la tension d’alimentation lorsque les paires d’onduleurs (24A, 24B) sont connectées en série. Figure pour l'abrégé : Figure 1 (figure unique)

Description

Chaîne de traction pour un véhicule ferroviaire et véhicule ferroviaire associé
La présente invention concerne une chaîne de traction pour un véhicule ferroviaire. La présente invention concerne aussi un véhicule ferroviaire associé.
Les caténaires des différents pays d’Europe ne délivrent pas la même tension d’alimentation. Par exemple, certains pays utilisent des caténaires délivrant une tension de 1500 Volt DC (abréviation de courant continu) et d’autres pays utilisent des caténaires délivrant une tension de 3000 Volt DC ou 750 Volt DC.
Afin de fonctionner sous différentes tensions d’alimentation, il est connu d’insérer un convertisseur supplémentaire dans les chaînes de traction des véhicules ferroviaires. Néanmoins, cela augmente le coût et le volume de la chaîne de traction.
D’autres solutions permettant de s’affranchir d’un convertisseur supplémentaire ont été développées. Toutefois, ces solutions peuvent encore être améliorées, notamment pour limiter les pertes de puissance dans la chaîne de traction.
Il existe donc un besoin pour une chaîne de traction capable de fonctionner sous deux tensions d’alimentation tout en étant simple, peu volumineuse et avec des pertes de puissance réduites.
A cet effet, la présente description a pour objet une chaîne de traction pour un véhicule, notamment ferroviaire, la chaîne de traction étant alimentée par une source d’alimentation électrique fournissant une tension en courant continu, dite tension d’alimentation, la chaîne de traction comprenant:
- au moins deux moteurs de traction,
- deux paires sensiblement identiques d’onduleurs, les onduleurs de chaque paire étant propres à alimenter un même moteur de traction distinct du moteur de traction alimenté par l’autre paire d’onduleurs,
- des moyens de commutation propres à configurer les deux paires d’onduleurs en série ou en parallèle de sorte que la tension aux bornes de chaque paire d’onduleurs, dite tension de travail, est égale à:
  1. la tension d’alimentation lorsque les paires d’onduleurs sont connectées en parallèle, et
  2. la moitié de la tension d’alimentation lorsque les paires d’onduleurs sont connectées en série.
Suivant des modes de réalisations particuliers, la chaîne de traction comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles:
- les moyens de commutation comprennent au moins trois contacteurs:
- un premier contacteur disposé entre les deux paires d’onduleurs,
- un deuxième contacteur disposé entre l’une des paires d’onduleurs et la masse, et
- un troisième contacteur disposé entre l’autre des paires d’onduleurs et la source d’alimentation,
chaque contacteur étant configurable entre un premier état, dit fermé, laissant passer un courant électrique et un deuxième état, dit ouvert, interdisant le passage du courant électrique;
- lorsque les paires d’onduleurs sont connectées en série, le premier contacteur est fermé, et le deuxième et le troisième contacteur sont ouverts, et lorsque les paires d’onduleurs sont connectées en parallèle, le premier contacteur est ouvert, et le deuxième et le troisième contacteurs sont fermés;
- la chaîne de traction comprend au moins un capteur de mesure de la tension d’alimentation délivrée par la source d’alimentation et au moins un dispositif de commande des moyens de commutation pour configurer les paires d’onduleurs en série ou en parallèle en fonction de la tension d’alimentation mesurée; et
- chaque onduleur comprend au moins un transistor bipolaire à grille isolée. La présente description porte également sur une utilisation de la chaîne de traction telle que décrite précédemment avec une source d’alimentation délivrant une tension d’alimentation de 3000 Volt ou 1500 Volt.
La présente description porte, en outre, sur une utilisation de la chaîne de traction telle que décrite précédemment avec une source d’alimentation délivrant une tension d’alimentation de 1500 Volt ou 750 Volt.
La présente description porte aussi sur un véhicule, notamment ferroviaire comprenant une chaîne de traction telle que décrite précédemment.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l’invention, donnée à titre d’exemple uniquement, et en référence à la figure suivante:
- la figure 1 est une représentation schématique d’un exemple d’une chaîne de traction d’un véhicule, notamment ferroviaire.
Une chaîne de traction 10 pour un véhicule, notamment ferroviaire, est illustrée par la figure1. Le véhicule ferroviaire est, par exemple, un train, un tramway ou un tram-train.
La chaîne de traction 10 comprend au moins deux moteurs de traction 12 et un circuit 14 d’alimentation des moteurs de traction 12 à partir d’une source d’alimentation 16 fournissant une tension en courant continu, dite tension d’alimentation.
Les moteurs de traction12 sont, par exemple, des moteurs à courant alternatif(AC).
Dans l’exemple illustré par la figure 1, la source d’alimentation 16 est une caténaire fournissant un signal d’alimentation en courant continu (DC). En variante, la source d’alimentation 16 est un moteur à combustible, tel qu’un moteur diesel, ou toute autre source d’alimentation. Lorsque la source d’alimentation 16 est un moteur, le moteur est embarqué dans le véhicule. Selon une autre variante, la source d’alimentation 16 est une caténaire fournissant un signal d’alimentation en courant alternatif connectée à un convertisseur AC-DC.
Dans l’exemple illustré par la figure 1, le circuit d’alimentation 14 comprend un connecteur 20, deux filtres 22, deux paires 24A, 24B d’onduleurs et des moyens de commutation 26. Le circuit d’alimentation 14 comprend, également, un capteur de mesure 27 et un dispositif de commande 28.
Le connecteur 20 est destinéà être connecté à la source d’alimentation électrique16 pour recevoir un signal d’alimentation continu. Dans l’exemple illustré par la figure 1, le connecteur 20 est un pantographe. Optionnellement, le connecteur20 est connecté aux filtres 22 via un composant passif, tel qu’une inductance formant ainsi une self d’entrée. La self d’entrée permet, d’une part, de limiter les effets de surtension en provenance de la source d’alimentation 16 et, d’autre part, de protéger le connecteur 20 des harmoniques de courant générés par les moteurs de traction 12.
L’un des filtres 22 est connecté en parallèle de la première paire d’onduleurs24A et l’autre filtre 22 est connecté en parallèle de la deuxième paire d’onduleurs24B.
Par exemple, chaque filtre 22 comprend un condensateur C1, C2.
Chaque paire d’onduleurs 24A, 24B comprend deux onduleurs 30 formant un double onduleur. Les onduleurs 30 de chaque paire 24A, 24B sont propres à convertir le signal d’alimentation en un signal alternatif permettant d’alimenter les moteurs de traction12.
Chaque paire d’onduleurs 24A, 24B est connectée à un moteur de traction 12 distinct. Les onduleurs 30 de chaque paire 24A, 24B sont ainsi propres à alimenter un même moteur de traction 12 distinct du moteur de traction alimenté par l’autre paire d’onduleurs 24A, 24B.
Les deux paires d’onduleurs 24A, 24B sont sensiblement identiques. Les onduleurs 30 de chaque paire 24A, 24B sont sensiblement identiques.
Chaque onduleur 30 comprend, par exemple, au moins un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT), avantageusement plusieurs IGBT en configuration quatre quadrants.
Les moyens de commutation 26 sont propres à configurer les deux paires d’onduleurs 24A, 24B en série ou en parallèle de sorte que la tension aux bornes de chaque paire d’onduleurs 24A, 24B, dite tension de travail, est égale à:
  • la tension d’alimentation lorsque les paires d’onduleurs 24A, 24B sont connectées en parallèle, et
  • la moitié de la tension d’alimentation lorsque les paires d’onduleurs 24A, 24B sont connectées en série.
Dans l’exemple illustré par la figure 1, les moyens de commutation 26 comprennent au moins trois contacteurs:
  • un premier contacteur S1 disposé entre les deux paires d’onduleurs 24A, 24B,
  • un deuxième contacteur S2 disposé entre l’une des paires d’onduleurs 24A, 24B et la masse, et
  • un troisième contacteur S3 disposé entre l’autre des paires d’onduleurs24A,24B et la source d’alimentation 16.
Chaque contacteur S1, S2, S3 est configurable entre un premier état, dit fermé, laissant passer un courant électrique et un deuxième état, dit ouvert, interdisant le passage du courant électrique.
Dans l’exemple illustré par la figure 1, le premier contacteur S1 relie la sortie des onduleurs 30 de la première paire d’onduleurs 24A à l’entrée des onduleurs 30 de la deuxième paire d’onduleurs 24B. L’entrée des onduleurs 30 de la première paire d’onduleurs 24A est connectée au connecteur 20. La sortie des onduleurs 30 de la deuxième paire d’onduleurs 24B est connectée à la masse.
Le deuxième contacteur S2 relie la sortie des onduleurs 30 de la première paire d’onduleurs 24A à la masse.
Le troisième contacteur S3 relie l’entrée des onduleurs 30 de la deuxième paire d’onduleurs 24B au connecteur 20, le cas échéant via une self d’entrée.
En configuration série, le premier contacteur S1 est fermé, et le deuxième et le troisième contacteur S2, S3 sont ouverts. Dans cette configuration, la tension aux bornes de chaque paire d’onduleurs 24A, 24B est égale à la moitié de la tension d’alimentation. Par exemple, lorsque la tension d’alimentation est de 3000 Volt, la tension aux bornes de chacune des paires d’onduleurs 24A, 24B est de 1500 Volt.
En configuration parallèle, le premier contacteur S1 est ouvert, et le deuxième et le troisième contacteurs S2, S3 sont fermés. Dans cette configuration, la tension aux bornes de chaque paire d’onduleurs 24A, 24B est égale à la tension d’alimentation. Par exemple, lorsque la tension d’alimentation est de 1500 Volt, la tension aux bornes de chacune des paires d’onduleurs 24A, 24B est de 1500 Volt.
Le capteur de mesure 27 est propre à mesurer la tension d’alimentation délivrée par la source d’alimentation 16. Le capteur de mesure 27 est connecté entre le connecteur20 et la masse. Le capteur de mesure 27 est, par exemple, un voltmètre.
Le dispositif de commande 28 est propre à commander les moyens de commutation 26 pour configurer les paires d’onduleurs 24A, 24B en série ou en parallèle en fonction de la tension d’alimentation mesurée par le capteur de mesure27.
Avantageusement, le circuit d’alimentation comprend un dispositif de protection des onduleurs 30, prévu pour réaliser un court-circuit empêchant l’alimentation des onduleurs 30 lorsque la tension d’alimentation délivrée par la source d’alimentation 16 est supérieure à une valeur prédéterminée. Dans ce cas, le dispositif de protection est connecté entre le connecteur 20 et la masse.
Le fonctionnement de la chaîne de traction 10 décrite sur la figure 1 va maintenant être décrit.
Lorsque la tension d’alimentation mesurée par le capteur de mesure 27 est telle que les paires d’onduleurs 24A, 24B sont à configurer en série (par exemple lorsque la tension d’alimentation est de 3000 Volt), le dispositif de commande 28 commande la fermeture du premier contacteur S1 et l’ouverture du deuxième et du troisième contacteur S2, S3. Ainsi, la tension aux bornes de chaque paire d’onduleurs 24A, 24B est égale à la moitié de la tension d’alimentation.
Lorsque la tension d’alimentation mesurée par le capteur de mesure 27 est telle que les paires d’onduleurs 24A, 24B sont à configurer en parallèle (par exemple lorsque la tension d’alimentation est de 1500 Volt), le dispositif de commande 28 commande la fermeture des deuxième et troisième contacteurs S2, S3 et l’ouverture du premier contacteur S1. Ainsi, la tension aux bornes de chaque paire d’onduleurs 24A, 24B est égale à la tension d’alimentation.
Ainsi, la présente chaîne de traction 10 permet de fonctionner sous deux niveaux de tensions en courant continu avec la même performance pour les deux niveaux, notamment même niveau de rendement et même niveau de puissance de traction atteignable. Elle est, en outre, simple et peu volumineuse du fait de l’absence d’un convertisseur additionnel.
De plus, l’association d’un moteur de traction à une paire d’onduleurs permet de réduire les pertes de puissance du moteur de traction par rapport à un unique onduleur. En effet, la présence de double onduleurs donne la possibilité de modifier la fréquence de commutation des onduleurs en fonction de l’application souhaitée. Par exemple, une fréquence de commutation inchangée permet de diminuer les pertes de puissance dues aux harmoniques côté moteur. Une fréquence de commutation abaissée (par exemple divisée par deux) permet de diminuer les pertes de puissance dues à la commutation des composants des onduleurs.
Cela permet aussi de simplifier le refroidissement des onduleurs.
L’homme du métier comprendra que le mode de réalisation décrit précédemment est donné à titre d’exemple non limitatif. Par exemple, chaque paire d’onduleurs pourrait être connectée à plusieurs moteurs de traction.

Claims (8)

  1. Chaîne de traction (10) pour un véhicule, notamment ferroviaire, la chaîne de traction(10) étant alimentée par une source d’alimentation électrique (16) fournissant une tension en courant continu, dite tension d’alimentation, la chaîne de traction (10) comprenant:
    - au moins deux moteurs de traction (12),
    - deux paires (24A, 24B) sensiblement identiques d’onduleurs (30), les onduleurs (30) de chaque paire (24A, 24B) étant propres à alimenter un même moteur de traction (12) distinct du moteur de traction (12) alimenté par l’autre paire d’onduleurs (24A, 24B),
    - des moyens de commutation (26) propres à configurer les deux paires d’onduleurs (24A, 24B) en série ou en parallèle de sorte que la tension aux bornes de chaque paire d’onduleurs (24A, 24B), dite tension de travail, est égale à:
    - la tension d’alimentation lorsque les paires d’onduleurs (24A, 24B) sont connectées en parallèle, et
    - la moitié de la tension d’alimentation lorsque les paires d’onduleurs(24A, 24B) sont connectées en série.
  2. Chaîne de traction (10) selon la revendication 1, dans laquelle les moyens de commutation (26) comprennent au moins trois contacteurs:
    - un premier contacteur (S1) disposé entre les deux paires d’onduleurs(24A, 24B),
    - un deuxième contacteur (S2) disposé entre l’une des paires d’onduleurs (24A, 24B) et la masse, et
    - un troisième contacteur (S3) disposé entre l’autre des paires d’onduleurs (24A, 24B) et la source d’alimentation (16),
    chaque contacteur (S1, S2, S3) étant configurable entre un premier état, dit fermé, laissant passer un courant électrique et un deuxième état, dit ouvert, interdisant le passage du courant électrique.
  3. Chaîne de traction (10) selon la revendication 2, dans laquelle:
    - lorsque les paires d’onduleurs (24A, 24B) sont connectées en série, le premier contacteur (S1) est fermé, et le deuxième et le troisième contacteurs(S2, S3) sont ouverts, et
    - lorsque les paires d’onduleurs (24A, 24B) sont connectées en parallèle, le premier contacteur (S1) est ouvert, et le deuxième et le troisième contacteurs(S2, S3) sont fermés.
  4. Chaîne de traction (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la chaîne de traction (10) comprend au moins un capteur (27) de mesure de la tension d’alimentation délivrée par la source d’alimentation (16) et au moins un dispositif (28) de commande des moyens de commutation (26) pour configurer les paires d’onduleurs (24A, 24B) en série ou en parallèle en fonction de la tension d’alimentation mesurée.
  5. Chaîne de traction (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle chaque onduleur (30) comprend au moins un transistor bipolaire à grille isolée.
  6. Utilisation de la chaîne de traction (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 avec une source d’alimentation (16) délivrant une tension d’alimentation de 3000 Volt ou 1500 Volt.
  7. Utilisation de la chaîne de traction (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 avec une source d’alimentation (16) délivrant une tension d’alimentation de 1500 Volt ou 750 Volt.
  8. Véhicule, notamment ferroviaire, comprenant une chaîne de traction (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5.
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