Brevet FR2418570A1 — publié le 19790921

La présente invention se rapporte aux convertisseurs electriques statiques applicables aux matériels de traction électrique, en particulier pour l'alimentation des auxiliaires de bord. Un inconvenient des convertisseurs statiques connus réside dans le fait qu'un décollement du pantographe de la caténaire d'alimentation pendant une brève période transitoire (ce qui se produit souvent a grande vitesse) fait évanouir immédiatement leur tension de sortie et désactive les circuits de traction, ce qui a pour conséquence l'obligation pour le personnel de conduite de venir réarmer et réactiver la traction. Une telle situation-,sur les parcours a grande vitesse ou à caténaire non regulée,peut se repéter avec une certaine fréquence et perturbe la marche des trains d'une façon notable. L'emploi d'un convertisseur rotatif constitué par un groupe moteur à courant continu accouplé à un alternateur d'alimentation des auxiliaires de traction ne présente pas cet inconvenient. En effet, dans le cas d'une breve coupure de tension, le convertisseur rotatif qui dispose d'une grande reserve d'énergie JM dans les masses tournantes du moteur et de l'alternateur, continue a délivrer une tension et une fréquence correctes pendant une période suffisante pour attendre la reprise du contact avec la catenaire. La figure 1 représente un convertisseur statique 1 de type conventionnel alimenté à partir d'une caténaire 2 via un pantographe 3 et un disjoncteur rapide 4. D est une diode d'arrêt et C et L representent globalement toutes les capacités et inductances du filtre d'entrée dans lequel est stockee la majeure partie de la réserve d'énergie, contenue dans les inductances L et dans les capacités C (L-21 CV2; JC=21Li2). Cette énergie en réserve est très inférieure à celle d'un convertisseur rotatif et insuffisante pour maintenir l'alimentation electrique du convertisseur statique pendant un bref decollement du pantographe tel qu'il s'en produit a grande vitesse ou bien sous catenaire non régulée. Pour disposer d'une importante réserve d'energie dans un convertisseur statique, il semble qu'il suffirait de porter JL + JC au niveau de la reserve d'energie JM du convertisseur rotatif, ce qui n'est pas actuellement nécessaire et augmenterait considerablement les valeurs d'inductances et capacités du filtre.En fait une telle solution est pratiquement impossible pour les raisons suivantes: - le condensateur C et l'inductance L sont reliés directement à la ca tenaire et doivent être isolés et dimensionnés par rapport à la sur tension maximale susceptible d'exister sur cette catenaire (voisine de 12.000 volts) et leur cott serait trop élevé; - si l'on augmentait beaucoup la capacite C, le courant initial: de charge du filtre s'eleveralt a une valeur telle qu'il serait susceptible de faire disjoncter transitoirement le disjoncteur rapide 4 au bien de faire sauter le fusible de protection; - si l'on augmentait l'inductance L, on induirait sur la capacité C, et par conséquent aux bornes du convertisseur, des surtensions tres élevées à la coupure du circuit; l'augmentation de l'inductance L signifierait une augmentation considérable du poids déjà notable du filtre d'entrée. L'un des buts de la présente invention est de résoudre le problème qui vient d'être exposé. A cet effet, le convertisseur statique de puissance électrique applicable en particulier au matériel moteur de traction électrique ferroviaire à captage mobile du courant électrique sur une ligne d'alimentation, telle qu'une catenaire, est caractérise en ce qu'il comporte un organe statique de réserve d'energie constitué, en amont du filtre d'entrée du convertisseur, par un condensateur d'alimentation auxiliaire ayant une capacite nettement su périeure à la capacité totale des condensateurs faisant partie du filtre d'en trée, ledit condensateur étant relié à la caténaire d'alimentation électrique du convertisseur par une résistance d'une valeur assez elevée pour permettre l'alimentation constante de cette résistance par la tension caténaire en cas de court-circuit du condensateur et étant par conséquent dimensionné pour une surtension de la caténaire, et en ce que des moyens sont prevus pour relier statiquement ce condensateur au convertisseur dans le seul cas de la perte de contact du moyen de captage électrique tel qu'un pantographe avec la caténaire, de façon que ce condensateur se charge lentement dans les périodes de contact continu avec la catenaire et restitue de l'énergie au convertisseur quand se produit une interruption temporaire du prélèvement d'énergie par le pantographe. Selon un premier mode de réalisation de l'-invention, les moyens pour relier statiquement le condensateur d'alimentation auxiliaire au convertisseur dans le cas de perte de contact du pantographe sont constitues par une diode normalement bloquée. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la capacité du condensateur auxiliaire d'alimentation est au moins 10 fois supérieure à la capacite totale des condensateurs constituant le filtre d'entrée. Avantageusement, le condensateur auxiliaire d'alimentation est dimen sionné pour une surtension de la caténaire égale approximativement au tiers de la surtension maximale admissible et le convertisseur peut comporter un écrêter de tension apte à décharger sur le condensateur auxiliaire d'alimen tation l'énergie indésirable associée aux surtensions de la caténaire. Cet écrêter peut être constitue par un "varistor" à couche metallique et etre dimensionné pour une tension maximale de la caténaire approximativement egale au tiers de la surtension maximale admissible. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description détaillee qui va suivre faite en référence au dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif et dans lequel: - la figure 1 est un schéma représentant un convertisseur de type connu; - la figure 2 est un schéma d'une première forme de réalisation du convertisseur; et - la figure 3 est un schéma d'une variante de la figure 2. Dans l'exemple illustré à la figure 2, au circuit connu donné en exemple à la figure 1 ont été ajoutés les composants suivants: - une résistance R de valeur très élevée, afin de pouvoir être alimen tée par la haute tension en cas de côurt-circuit du condensateur C1; - un condensateur C1 dimensionné pour une surtension de caténaire de 4.000 V (tension continue maximale de la caténaire) et non de 12.000 V. La capacité du condensateur Cl est au moins 10 fois supérieure à la capacite de C; - une diode D1 (normalement bloquée) qui relie statiquement C1 au con vertisseur en cas de rupture de contact du pantographe avec la caténaire. Avec le circuit selon l'invention, il est possible de disposer d'une réserve d'énergie, constituée par le condensateur C1, supportant une tension maximale de 4 kV ( et non plus de 12kV), avec une capacité de restitution d'énergie 9 fois supérieure pour le même prix, c'est-à-dire dans le rapport: A la remontée du pantographe 3, la capacité C1 se charge très lentement et, par conséquent, ne sollicite en aucune manière le disjoncteur rapide 4 et les autres protections existantes. D'éventuelles surtensions de la caténaire d'une duree normale de quelques millisecondes sont absorbees directement par la résistance R, car la constante de temps C1R, associée aux longs temps de recharge de C1, est de l'ordre de quelques minutes Prenons par exemple C1 = 3.000 pF et R = 300 Kohm, on obtient : T = 3.000.104 .300.103 = 900 secondes. Le condensateur Cl pourrait être constitué par une batterie de condensateurs électrolytiques supportant chacun 350 V seulement(de dimensions et de coût très réduits par consequent). La variante illustrée à la figure 3 differe de l'exemple de la figure 2 par le fait qu'on a ajouté au condensateur C1, un écrêteur de tension Z, constitué par un "varistor" à couche métallique "(M.O.V.)", ayant pour fonction de décharger sur Cl 1 'énergie associée à la surtension de la caténaire et ainsi de limiter l'ampleur des diverses surtensions à des valeurs sensiblement inférieures (un pic de-tension de 12.000 volts pourrait être réduit à 4.000 volts, c'est-à-dire à la tension maximale de la caténaire pour laquelle est dimensionné 1 'écrêteur Z). Ceci constitue évidemment un avantage supplementaire permettant de reduire encore les exigences de tenue à la tension du convertisseur statique. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation decrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes, accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. En particulier, on doit comprendre que l'invention qui a éte décrite en référence à une tension à la catenaire de 3000 volts continus, peut s'appliquer également à tous les autres réseaux d'alimentation électrique utilisant un convertisseur statique de transformation de la -fréquence et éventuellement de la tension du courant, notamment pour la traction électrique en courant 1500 volts ou 750 volts continus et pour la traction électrique en- courant monophasé (16 2/3 Hz, 50 Hz, 60 Hz avec des tensions nominales allant de 12 à 50 kV) pour laquelle un transformateur abaisseur de tension est généralement intercalé entre l'entrée du convertisseur et-la caténaire. De même, la catenaire suspendue telle que réalisée pour la traction électrique en courant continu 3000 volts peut être remplacée par tout moyen équivalent tel que le -troi sième rail d'alimentation électrique des réseaux de métro ou de transport ferroviaire urbain. REVENDICATIONS 1. Convertisseur statique de puissance électrique applicable en particulier au matériel moteur de traction électrique ferroviaire à captage mobile du courant électrique sur une ligne d'alimentation telle qu'une caténaire, caractérisé en ce qu'il comporte un organe statique de réserve d'énergie constitué, en amont du filtre d'entree du convertisseur, par-un condensateur d'alimentation auxiliaire ayant une capacité nettement supérieure à la capacité totale des condensateurs faisant partie du filtre d'entrée, ledit condensateur étant relié a la caténaire d'alimentation électrique du convertisseur par une résistance d'une valeur assez élevée pour permettre l'alimentation constante de cette résistance par la tension caténaire en cas de court-circuit du condensateur et étant par conséquent dimensionné pour une surtension de la caténaire et en ce que des moyens sont prévus pour relier statiquement ce condensateur au convertisseur dans le seul cas de la perte de contact du moyen de captage électrique tel qu'un pantographe avec la caténaire de façon que ce condensateur se charge lentement dans les périodes de contact continu avec la caténaire et restitue de l'énergie au convertisseur quand se produit une interruption temporaire du prélèvement d'énergie par le pantographe. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce quelles moyens pour relier statiquement le condensateur d'alimentation auxiliaire au convertisseur dans le cas de perte de contact du pantographe sont constitués par une diode normalement bloque. 3. Convertisseur selon a revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la capacité du condensateur auxiliaire d'alimentation est au moins 10 fois supérieure à la capacité totale des condensateurs constituant le filtre d'entrée. 4. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le condensateur auxiliaire d'alimentation est dimensionné pour une surtension de la caténaire égale approximativement au. tiers de la surtension maximele admissible. 5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un écrêteur de tension apte à decharger sur le condensateur auxiliaire d'alimentation l'énergie indésirable associée aux surtensions de la catenaire. 6. Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'écrêteur de tension est constitue par un "varistor" à couche métallique. 7. Convertisseur selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'écrêteur de tension est dimensionné pour-une tension maximale de la caténaire approximativement egale au tiers de la surtension maximale admissible.