Brevet FR2695221A1 — publié le 19940304

FILTRE ACTIF POUR ENGIN DE TRACTION ALIMENTE SOUS CATENAIRE MONOPHASEE La présente invention concerne un filtre actif pour le filtrage du courant, et éventuellement l'amélioration du facteur de puissance, d'un engin de traction alimenté sous caténaire monophasée. 5 Les lignes de télécommunication disposées le long des voies ferrées peuvent être perturbées par l'action du courant de traction circulant dans la caténaire et retournant à la sous-station par le rail et le sol Cet ensemble, formant des boucles génératrices de champ10 magnétique, peut perturber principalement les conducteurs aériens Cette perturbation se manifeste d'autant plus si ces conducteurs ne sont pas protégés par une enveloppe métallique. Les tensions perturbatrices engendrées sur les conducteurs à courant faible peuvent créer, en l'absence de protection, des dangers pour le personnel ou pour le matériel ainsi que des anomalies de fonctionnement Le système de transmission du chemin de fer et le réseau public sont soumis à ces effets perturbateurs jusqu'à 2 ou 3 km de20 distance transversale. Les engins de traction alimentés sous caténaire monophasée sont équipés de convertisseurs d'entrée alternatif-continu En France, sur la plupart des engins de traction, ce type de convertisseur est un pont mixte Ces25 ponts redresseurs sont caractérisés par un fonctionnement en commutation naturelle, ce qui implique une consommation de puissance réactive et une puissance déformante engendrée sur la ligne. L'adjonction d'un filtre actif à l'entrée des engins de traction afin de réduire les perturbations générées essentiellement par les ponts à commutation naturelle sur l'alimentation fait l'objet de nombreuses études Le principe que l'on envisage d'utiliser consiste à disposer d'une source de courant commandable disposée en parallèle sur la caténaire et capable d'injecter dans celle- ci des courants d'amplitude suffisante La source de courant commandée pourrait être réalisée par exemple à partir d'un onduleur de tension bouclé en intensité et débitant à 5 travers un enroulement auxiliaire du transformateur de traction La source de tension continue alimentant l'onduleur doit avoir une amplitude supérieure à la tension crête du secondaire utilisé. Pour l'instant, ces études n'ont pas abouti à des dispositifs utilisables en pratique Pour pallier ce manque on propose selon la présente invention un filtre actif présentant de multiples niveaux de tension et dont l'efficacité contre les harmoniques de courant est remarquable.15 L'invention a donc pour objet un filtre actif pour le filtrage du courant, et éventuellement l'amélioration du facteur de puissance, d'un engin de traction alimenté sous caténaire monophasée par l'intermédiaire de moyens collecteurs de la tension fournie par la caténaire et20 distributeurs de tensions d'utilisation aux équipements de traction et aux équipements auxiliaires, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre de ponts à commutation forcée et à source de tension supérieur ou égal à 2, les ponts étant branchés en série côté alternatif et étant alimentés par des25 tensions continues de manière indépendante, le filtre actif comprenant également un système de commande qui force la commutation des ponts de manière à développer côté monophasé un courant alternatif à partir de niveaux différents de tension résultant de la combinaison des valeurs des tensions30 continues desdits ponts, ce courant développé étant délivré auxdits moyens collecteurs et distributeurs pour compenser les harmoniques engendrées, et éventuellement la puissance réactive consommée, par les équipements de traction et les équipements auxiliaires et retransmis vers la caténaire. Les moyens collecteurs et distributeurs sont généralement constitués par un transformateur d'entrée Dans ce cas, le filtre actif peut être branché, côté alternatif: soit aux bornes d'un enroulement secondaire du transformateur d'entrée, cet enroulement lui étant réservé, soit aux bornes d'un enroulement secondaire d'un transformateur particulier dont le primaire est branché en parallèle sur le primaire du transformateur d'entrée, soit en série avec une inductance, l'ensemble étant branché en parallèle sur l'enroulement primaire du transformateur d'entrée, soit sur un enroulement secondaire alimentant les équipements de traction ou les équipements auxiliaires, le branchement étant réalisé sur une partie ou sur la totalité de cet enroulement secondaire, soit sur une partie de l'enroulement primaire. Les ponts comprennent avantageusement des branches formées d'interrupteurs statiques bidirectionnels commandés à l'allumage et au blocage. Ces interrupteurs statiques peuvent comprendre des ensembles formés chacun d'une diode montée tête-bêche avec un transistor IGBT, un transistor MCT ou avec un thyristor GTO. Dans le cas o le filtre actif comprend deux ponts, l'un d'entre eux peut être alimenté par une tension continue de valeur triple de la tension continue d'alimentation de l'autre pont L'une de ces tensions continues peut être fournie par un générateur de tension continue et l'autre par un condensateur.30 Dans le cas o le filtre actif comprend trois ponts, ceux-ci peuvent être alimentés chacun par une tension continue de même valeur. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 représente le transformateur d'entrée d'un engin de traction électrique équipé d'un filtre actif selon l'invention, les figures 2 à 5 représentent différentes variantes de disposition du filtre actif selon l'invention par rapport au transformateur d'entrée d'un engin de traction électrique, la figure 6 représente le schéma-bloc du système de commande du filtre actif selon l'invention. La figure 1 représente, de manière schématique, le transformateur d'entrée 1 d'un engin de traction électrique équipé d'un filtre actif 8 selon l'invention Le transformateur 1 comprend un enroulement primaire 2 et plusieurs enroulements secondaires 3, 4 et 5 Les enroulements secondaires 3 et 4 sont destinés à alimenter15 des charges 6 et 7 qui peuvent être des équipements de traction ou des équipements auxiliaires Des filtres passifs peuvent être branchés respectivement aux bornes des enroulements secondaires 3 et 4 Ils sont par exemple composés chacun d'une inductance et d'un condensateur en20 série. L'enroulement secondaire 5 alimente un nombre N de ponts à commutation forcée 10, 11, Les ponts sont branchés en série côté alternatif et sont alimentés, de manière indépendante, par des tensions continues U 11, U 225 UN. Un dispositif de filtrage passif 9 peut éventuellement être rajouté au montage Il peut être disposé entre l'enroulement secondaire 5 et le filtre actif 8 Il peut être composé de deux selfs branchées en série entre l'une des bornes de l'enroulement secondaire 5 et le filtre actif, un condensateur reliant le point commun aux deux selfs à l'autre borne de l'enroulement secondaire 5. A la figure 2, le transformateur d'entrée 17 alimente les charges 6 et 7 Le filtre actif 8 est branché aux bornes de l'enroulement secondaire d'un transformateur 18 dont l'enroulement primaire est branché en parallèle sur l'enroulement primaire du transformateur d'entrée 17. A la figure 3, on retrouve le même transformateur d'entrée 17 pour alimenter les charges 6 et 7 Le filtre actif 8 est maintenant branché en série avec une inductance 12 L'ensemble filtre actif- inductance 12 est branché en parallèle sur l'enroulement primaire du transformateur d'entrée. A la figure 4, le transformateur d'entrée 13 possède des enroulements secondaires qui alimentent les charges 6, 7 et 14 Le filtre actif 8 est branché sur une partie de l'enroulement secondaire alimentant la charge 14 Il pourrait le cas échéant être branché sur tout l'enroulement secondaire, c'est-à-dire en parallèle sur la charge 14.15 A la figure 5, le transformateur 15 alimente les charges 6, 7 et 16 Le filtre actif 8 est branché sur une partie de l'enroulement primaire du transformateur d'entrée 15. A titre d'exemple, on va décrire le cas o le filtre actif 10 est formé de deux ponts 10 et il (voir la figure 1). Le pont il est alimenté par exemple par une source de tension continue U 2, qui peut être celle utilisée par les auxiliaires, et délivrant une tension de valeur U Le pont25 10 est alimenté par une source de tension continue qui peut être un condensateur dont la tension à ses bornes U 1 vaut 3 U. comme la tension continue aux bornes du pont il est relativement faible (par exemple 500 V), il est possible de réaliser ce pont avec des semi- conducteurs formés de transistors IGBT Ainsi, chaque branche du pont 11 comprend une diode montée tête-bêche avec un transistor Le pont il peut alors fonctionner avec une fréquence de coupure très élevée qui fournit la tension V 2 sous trois états: Ut O et -U. La tension continue aux bornes du pont 10 étant élevée ( 1500 V si U = 500 V), la puissance de ce pont est donc plus importante On utilise alors des thyristors GTO qui possèdent une contrainte thermique de commutation Ainsi, 5 chaque branche du pont 10 comprend une diode montée tête- bêche avec un thyristor GTO Le pont 10 fonctionne avec une fréquence de coupure faible Il fournit une tension V 1 sous trois états possibles: U 1, O et -U 1 avec U 1 = 3 U. La tension Vs appliquée aux bornes de l'enroulement 5 est le résultat d'une combinaison des tensions des deux ponts: Vs = V 1 + V 2 Par conséquent, la tension Vs peut prendre neuf états possibles: Ut + U, U 1, U 1 U, U O, -U, -Ul + U, - U 1 et -U 1 U (avec U 1 = 3 U). La figure 6 illustre le fonctionnement du système de commande du filtre actif selon l'invention La régulation du filtre actif se fait par deux boucles: une boucle 20 de traitement des harmoniques et une boucle 21 de régulation de la tension U 1 aux bornes du condensateur constituant le générateur alimentant le pont 10.20 La boucle 20 est la boucle du filtre actif et concerne le traitement des harmoniques et, éventuellement, l'amélioration du facteur de puissance Ce traitement sera optimisé en fonction de ce que l'on considère comme prioritaire Il peut s'agir par exemple du traitement du25 courant psophométrique (encore appelé courant perturbateur équivalent Ipe). Le bloc 22 représente la partie électrique de puissance de l'engin de traction: transformateur d'entrée, ponts redresseurs La référence 23 représente la mesure des30 courants perturbateurs c'est-à-dire les harmoniques Les harmoniques sont traitées par le dispositif de traitement 28 qui effectue une transformation de Fourier rapide des données d'entrée, traite les harmoniques en fonction des priorités qu'on lui impose (choix des raies, pondérations)35 et effectue une transformation de Fourier inverse. Le spectre du signal est traité numériquement pour établir la référence des harmoniques de courant à compenser. Cette référence de courant est dirigée vers le circuit 27. La boucle 21 est la boucle de régulation du fondamental du courant dans l'enroulement secondaire du filtre actif Cette régulation a pour objet de garder la tension U 1 constante et égale à sa valeur de référence Ul(réf) = 3 U.10 La boucle 21 comporte la mesure de la tension U 1 aux bornes du condensateur et la comparaison de la valeur mesurée à la valeur de référence grâce au comparateur 29. La différence des valeurs à U 1 est appliquée à l'entrée du régulateur proportionnel-intégral 30 On obtient ainsi un courant fondamental dans l'enroulement secondaire du filtre actif Par conséquent, après redressement par les ponts du filtre actif, il apparaît un courant continu qui permet de réguler la tension aux bornes du condensateur. Le circuit 27 établit la référence de courant du filtre actif, fondamental et harmoniques, soit IS(réf) Par comparaison, grâce au comparateur 32, entre les courants Is(réf) et Is (courant mesuré dans l'enroulement secondaire 5), on obtient une différence de courant A Is que l'on cherche à annuler. L'annulation de A Is sera réalisé par l'intermédiaire des circuits 33 et 34 de commande des ponts respectivement et 11 Ces circuits 33 et 34 sont des blocs logiques et il peut y en avoir autant qu'il y a de ponts Le régulateur reçoit en entrée la différence de courant A Is et fournit des ordres à l'ensemble des ponts à commutation forcée. Le circuit 38 effectue le traitement de la mesure des tensions U 1 et U 2 (et jusqu'à UN s'il y a N ponts) Le circuit 39 est un bloc logique qui distingue les états de chaque source de tension U 1 et U 2 (et éventuellement35 jusqu'à UN). L'invention met en oeuvre un nombre réduit de composants ce qui est un élément favorable à la fiabilité de l'encombrement et à la masse qui sont des critères fondamentaux pour tout matériel embarqué. REVENDICATIONS 1/ Filtre actif pour le filtrage du courant, et éventuellement l'amélioration du facteur de puissance, d'un engin de traction alimenté sous caténaire monophasée par l'intermédiaire de moyens collecteurs de la tension fournie par la caténaire et distributeurs de tensions d'utilisation aux équipements de traction et aux équipements auxiliaires ( 6, 7), caractérisé en ce qu'il comprend un nombre de ponts ( 10, 11) à commutation forcée et à source de tension supérieur ou égal à 2, les ponts étant branchés en série côté alternatif et étant alimentés par des tension continues de manière indépendante, le filtre actif ( 8) comprenant également un système de commande qui force la commutation des ponts de manière à développer côté monophasé un courant alternatif à partir de niveaux différents de tension résultant de la combinaison des valeurs des tensions continues desdits ponts, ce courant développé étant délivré auxdits moyens collecteurs et distributeurs pour compenser les harmoniques engendrées, et éventuellement la puissance20 réactive consommée, par les équipements de traction et les équipements auxiliaires et retransmis vers la caténaire. 2/ Filtre actif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens collecteurs et distributeurs sont constitués par un transformateur d'entrée.25 3/ Filtre actif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est branché, côté alternatif, aux bornes d'un enroulement secondaire ( 5) du transformateur d'entrée ( 1), cet enroulement lui étant réservé. 4/ Filtre actif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est branché, côté alternatif, aux bornes d'un enroulement secondaire d'un transformateur particulier ( 18) dont le primaire est branché en parallèle sur le primaire du transformateur d'entrée ( 17). 5/ Filtre actif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est branché, côté alternatif, en série avec une i inductance ( 12), l'ensemble étant branché en parallèle sur l'enroulement primaire du transformateur d'entrée ( 17). 6/ Filtre actif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est branché, côté alternatif, sur un enroulement secondaire alimentant les équipements de traction ou les équipements auxiliaires ( 14), le branchement étant réalisé sur une partie ou sur la totalité de cet enroulement secondaire. 7/ Filtre actif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est branché, côté alternatif, sur une partie de l'enroulement primaire. 8/.Filtre actif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les ponts comprennent des branches formées d'interrupteurs statiques bidirectionnels commandés à l'allumage et au blocage. 9/ Filtre actif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les interrupteurs statiques comprennent des ensembles formés chacun d'une diode montée tête-bêche avec un transistor IGBT.20 10/ Filtre actif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que les interrupteurs statiques comprennent des ensembles formés chacun d'une diode montée tête-bêche avec un thyristor GTO. 11/ Filtre actif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les interrupteurs statiques comprennent des ensembles formés chacun d'une diode montée tête-bêche avec un thyristor MCT. 12/ Filtre actif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend deux ponts, l'un desdits ponts étant alimenté par une tension continue de valeur triple de la tension continue d'alimentation du deuxième pont. 13/ Filtre actif selon là revendication 12, caractérisé en ce que les tensions continues alimentant lesdits ponts ( 10, 11) sont fournies par un générateur de tension continue pour l'un des ponts et par un condensateur pour l'autre pont. t 14/ Filtre actif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le système de commande du filtre actif comprend une boucle ( 20) de traitement des harmoniques et une boucle ( 21) de régulation de la tension aux bornes dudit condensateur.5 15/ Filtre actif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend trois ponts alimentés chacun par une tension continue de même valeur. 16/ Filtre actif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de commande comprend un dispositif de traitement ( 28) permettant de sélectionner les harmoniques à compenser.