CHAPITRE 1 : Etat de l’art - Chaîne de traction des Tramways actuels
IV. La chaîne de traction du Tramway
IV.2 Détails de la chaîne de traction d’un Tramway ALSTOM Citadis™
La Figure 10 montre un exemple de schéma électrique d’une chaîne de traction de Tramway Citadis™ équipant les bogies Arpège à moteur asynchrone. Nous allons maintenant présenter plus en détail les différents éléments qui composent cette chaîne de traction de Tramway.
Figure 10 - Exemple de schéma électrique d’une chaîne de traction de Tramway Citadis™ équipant les bogies Arpège à moteur asynchrone [14].
IV.2.1 Les convertisseurs auxiliaires
Les convertisseurs auxiliaires sont l’ensemble des éléments électriques ne servant pas directement à la traction de l’engin. Nous pouvons séparer ces auxiliaires en deux catégories : les auxiliaires de confort et les auxiliaires de traction. Les auxiliaires de confort concernent notamment la ventilation, la climatisation et l’éclairage. Les auxiliaires de traction concernent les moto-ventilateurs (pour refroidir les convertisseurs), l’air comprimé et la charge des batteries …
Sur des engins fonctionnant sous réseaux 600V à 1500V DC (voir Figure 11), nous retrouvons une alimentation située après le disjoncteur de ligne et en amont du filtre d’entrée. Un onduleur direct permet ensuite de générer un réseau triphasé dont les caractéristiques sont fixées par la norme CEI 61038. Suivant les applications, les puissances peuvent aller de 100kVA à 400kVA. Ensuite, un système permet de générer un réseau continu adapté aux batteries, qui peut être de 24V, 48V, 72V ou 110V continu. Pour ces chargeurs de batteries les puissances vont de 10kVA à 30kVA, suivant les applications.
Figure 11 - Schéma de principe illustrant les réseaux générés par les convertisseurs auxiliaires sur des engins alimentés sous des tensions de 600V à 1500V continu.
De nombreuses topologies sont utilisées pour alimenter ces auxiliaires. Nous avons les hacheurs, les onduleurs, les structures à transformateurs moyennes fréquences … Ces convertisseurs utilisent en général des modules IGBT de 1200V ou 1700V avec des calibres en courant allant de 100A à 1200A suivant les applications.
IV.2.2 Les bogies, les moteurs et les réducteurs
Dans le Tableau 2, nous avons vu qu’il existe des bogies moteurs et des bogies porteurs. Nous allons détailler uniquement les bogies moteurs. Les Tramways Citadis™ actuels sont équipés de bogie moteur Arpège (voir Figure 12) avec un moteur asynchrone refroidi par eau, cela permet de disposer d’un moteur plus compact à puissance équivalente qu’un moteur refroidi par air. En revanche, une boucle à eau spécifique doit être mise en œuvre, elle se nomme « GRF » (groupe de refroidissement) et se situe en toiture. En toiture, nous retrouvons aussi les modules de puissance qui sont quant à eux refroidis par une circulation d’air forcée. Plus récemment, un nouveau bogie a été conçu (2008), il s’agit du bogie moteur Ixège (voir Figure 13) équipé de moteurs synchrones à aimants permanents refroidi par air, en circuit fermé. Ce moteur présente l’avantage de garder un volume similaire à celui refroidi par eau à puissance équivalente et évite l’ajout d’un GRF. Il équipe des Tramways ou Tram-Trains.
Les technologies des bogies n’ont pas cessé d’évoluer afin notamment d’améliorer l’accès des voyageurs. Par exemple, sur le bogie Arpège du Tramway Citadis™, la technologie « plancher bas » permet aux voyageurs de disposer d’un accès de plein pied au Tramway. Les critères de puissance volumique et de puissance massique apparaissent donc comme deux critères clés de l’évolution technologique des appareils de traction. Par exemple, le passage d’un moteur asynchrone à un moteur synchrone à aimants permanents permet une réduction de la masse d’environ 25%, une réduction du volume d’environ 25%, un rendement amélioré d’environ 3% (très faibles pertes au rotor) et une réduction du bruit d’environ 3dBA (rotor lisse, moteur fermé). En contrepartie, le coût du moteur augmente d’environ 20%, la maintenance est plus délicate du fait de la présence d’aimants permanents et l’alimentation doit se faire avec un onduleur par moteur alors que le moteur asynchrone permet la mise en parallèle [15]. En effet, avec des machines asynchrones, il est possible de disposer plusieurs machines en parallèle en sortie d’un même module de puissance onduleur. En revanche, avec les machines synchrones à aimant permanent, nous allons avoir systématiquement un module de puissance onduleur par machine puisque sa commande est basée sur une mesure de la position du rotor afin de garder le synchronisme. De plus, un contacteur sera disposé sur les trois phases de cette machine tournante afin d’isoler le moteur de l’onduleur en cas de défauts. En effet, l’utilisation d’aimants empêche une démagnétisation du moteur. Ce problème n’existant pas dans le cas des machines asynchrones.
Le Tableau 5 présente les caractéristiques détaillées des moteurs équipant les Tramways Citadis™.
(a) (b)
Figure 13 - Bogie moteur Ixège pour les Tramways et les Tram-Trains.
Tableau 5 - Les caractéristiques des moteurs équipant les bogies des Tramways [5] [15] :
Type de bogie Citadis™ moteur Arpège Citadis™ moteur Ixège
Type de moteur Machine asynchrone Machine synchrone à aimants permanents Point de fonctionnement
continu (stabilisation thermique dans les limites) - Puissance et vitesse du moteur
120 kW - 2600 tr/min 150 kW - 2600 tr/min
Couple du moteur 1000 N.m 1360 N.m
Vitesse maximale du
moteur 4130 tr/min 4130 tr/min
Masse du moteur 335 kg 330 kg Densité de Couple (N.m/kg) 2,98 4,12 Puissance massique (W/kg) 358,2 454,5 Refroidissement du moteur
(système dit : « fermé »)
Circulation d’eau Bobines auto-ventilées
Image du Moteur
Rapport de réduction du
IV.2.3 Le coffre de traction
Le coffre disposé en toiture (voir Figure 14), se compose de quatre compartiments permettant d’accueillir : les appareillages, les inductances de filtrage, le module de commande et le module de puissance (fera l’objet de la partie V qui suit).
Figure 14 - Coffre de traction du Tramway Citadis™ en toiture de l’engin.
Le compartiment pour les appareillages comporte des disjoncteurs, des capteurs et des contacteurs.
Le module de commande permet de réaliser le pilotage des différents organes constituant l’équipement de traction. Ces modules de commande ont connu plusieurs évolutions, pour fonctionner aujourd’hui avec l’association de DSP (Digital Signal Processing) et de FPGA (Field-Programmable Gate Array) avec bus PCI (Peripheral Component Interconnect). Sur le Tramway Citadis™, le module de commande de la partie traction se nomme l’AGATE Control™ 3. La Figure 15 présente l’architecture interne de l’AGATE Control™ 3, nous y retrouvons plus en détails les différents éléments décrits précédemment. Cet appareil réalise les différentes boucles de régulation nécessaires au pilotage des moteurs et génère les ordres de commandes pour les allumeurs.
Figure 15 - Architecture interne de la commande AGATE Control™ 3.
Un autre compartiment du coffre du Tramway contient les inductances de filtrage (voir Figure 16). Il s’agit de deux inductances, une inductance par onduleur triphasé, d’une valeur de 2mH avec un courant nominal de 207Aeff et une résistance série inférieure à 67mΩ. L’ensemble des deux inductances représente une masse maximale de 85kg. Le bruit n’excède pas 65dBA max à 3m de l’inductance dans les 3 axes et cela sur toute la plage de courant.
(a) Schéma de principe du coffre. (b) Compartiment pour les inductances.
(c) Vue de dessous d’une inductance. (d) Photo des inductances dans le coffre. Figure 16 - Inductances d’entrées dans le coffre de traction du Tramway Citadis™.