Brevet FR2752781A1 — publié le 19980306

DISPOSITIF ET PROCEDE D'ALIMENTATION SOUS TENSION CONTINUE D'UNE CHAINE DE TRACTION AU MOYEN DE CONVERTISSEURS A PARTIR DE DIFFERENTES TENSIONS ALTERNATIVES OU CONTINUES La présente invention concerne les chaînes de traction, notamment dans le domaine ferroviaire, en général, et porte, plus particulièrement, sur un dispositif et un procédé d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de 5 traction au moyen de convertisseurs à partir de différentes tensions alternatives ou continues. Le brevet FR 2 713 565 de la demanderesse porte sur un "SYSTEME D'ALIMENTATION MULTICOURANT A HAUTE DISPONIBILITE POUR ENGIN DE LOCOMOTIVE FERROVIAIRE". Ce brevet montre que les chaînes de traction, par exemple munies de moteurs de type asynchrone, nécessite une alimentation en tension continue. Ce brevet rappelle également que les véhicules ferroviaires sont de plus en plus destinés à circuler sur des réseaux dont la tension d'alimentation est différente selon les zones. On trouvera par exemple des tensions de 25 kV, 50 Hz, kV, 16 2/3 Hz, 3 kV DC ou 1,5 kV DC. Les dispositifs d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de traction au moyen de convertisseurs à partir de différentes tensions alternatives ou continues de l'art antérieur mettent en oeuvre un convertisseur spécifique à chaque tension d'alimentation. En d'autres termes, les dispositifs d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de traction au moyen de convertisseurs à partir de différentes tensions alternatives ou continues de l'art antérieur utilisent par exemple: - un pont de Graëtz ou un pont monophasé à commutations forcées pour les alimentations alternatives, - un dispositif abaisseur, par exemple un hacheur, si la tension DC d'alimentation est supérieure à la tension d'alimentation de la chaîne de traction, - un dispositif élévateur si la tension DC d'alimentation est inférieure à la tension d'alimentation de la chaîne de traction. Aussi un but de l'invention est-il un dispositif et un procédé d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de traction au moyen de convertisseurs à partir de différentes tensions alternatives ou continues, permettant la mise en oeuvre des mêmes convertisseurs. Conformément à l'invention, le dispositif d'alimentation sous tension continue U1DC d'une chaîne de traction C au moyen de convertisseurs à partir de différentes tensions alternatives ou continues disponibles sur une ligne d'alimentation, lesdits convertisseurs alternatif/continu étant disposés en série de manière à présenter un point milieu, lesdits convertisseurs alternatif/continu étant connectés côté alternatif AC, respectivement, à un premier et à un second enroulements secondaires d'un transformateur d'alimentation comportant un enroulement primaire, lesdits convertisseurs20 alternatif/continu fournissant, côté continu DC, ladite tension d'alimentation continue U1DC sur une borne d'alimentation de ladite chaîne de traction C, ledit dispositif d'alimentation de ladite chaîne de traction C étant alimenté au moyen d'un premier élément d'alimentation et d'un second élément d'alimentation connectés, d'une part, à ladite ligne d'alimentation, se caractérise en ce que ledit premier élément d'alimentation est susceptible d'être connecté, d'autre part, audit enroulement primaire dudit transformateur d'alimentation, au moyen d'un premier élément30 de connexion, et ledit second élément d'alimentation est susceptible d'être connecté, d'autre part, soit à ladite borne d'alimentation de ladite chaîne de traction C, soit audit point milieu desdits convertisseurs séries, au moyen d'un second élément de connexion.35 Le dispositif d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de traction au moyen de convertisseurs à partir de différentes tensions alternatives ou continues de l'invention satisfait également à l'une quelconque des caractéristiques suivantes: - l'alimentation sous tension continue U1DC de ladite chaîne de traction C est effectuée à partir de toute tension alternative UAC, - l'alimentation sous tension continue U1DC de ladite chaîne de traction C est effectuée à partir d'une tension continue U1DC égale à la tension d'alimentation de ladite10 chaîne de traction C, - l'alimentation sous tension continue U1DC de ladite chaîne de traction C est effectuée à partir d'une tension continue U2DC de l'ordre de la moitié de la tension d'alimentation de ladite chaîne de traction C,15 - ladite chaîne de traction C est alimentée par l'intermédiaire d'un dispositif de filtrage, - ledit dispositif de filtrage comportant des condensateurs, tout ou partie de ces condensateurs sont constitués des condensateurs associés auxdits20 convertisseurs, ledit transformateur d'alimentation comporte un enroulement supplémentaire, - lesdits convertisseurs sont du type pont monophasé à commutations forcées. Conformément également à l'invention, le procédé d'alimentation sous tension continue U1DC d'une chaîne de traction C au moyen de convertisseurs à partir de différentes tensions alternatives ou continues disponibles sur une ligne d'alimentation, lesdits convertisseurs30 alternatif/continu étant disposés en série de manière à présenter un point milieu, lesdits convertisseurs alternatif/continu étant connectés côté alternatif AC, respectivement, à un premier et à un second enroulements secondaires d'un transformateur d'alimentation comportant un35 enroulement primaire, lesdits convertisseurs alternatif/continu fournissant, côté continu DC, ladite tension d'alimentation continue U1DC sur une borne d'alimentation de ladite chaîne de traction C, ledit dispositif d'alimentation de ladite chaîne de traction C étant alimenté au moyen d'un premier élément d'alimentation et d'un second élément d'alimentation connectés, d'une part, à ladite ligne d'alimentation, se caractérise en ce qu'il comporte une étape consistant à connecter ledit premier élément d'alimentation, d'autre part, audit enroulement primaire dudit transformateur d'alimentation, au moyen d'un premier élément de connexion, lorsque ladite tension d'alimentation disponible sur ladite ligne d'alimentation est une tension alternative UAC, ou à connecter ledit second élément d'alimentation, au moyen d'un second élément de connexion, d'autre part, soit à ladite borne d'alimentation de ladite chaîne de traction C, lorsque ladite tension d'alimentation disponible sur ladite ligne d'alimentation est une tension continue UlDC égale à la tension d'alimentation de ladite chaîne de traction C, soit audit point milieu desdits convertisseurs séries, lorsque ladite20 tension d'alimentation disponible sur ladite ligne d'alimentation est une tension continue U2DC de l'ordre de la moitié de la tension d'alimentation de ladite chaîne de traction C. Un avantage du dispositif et du procédé d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de traction au moyen de convertisseurs à partir de différentes tensions alternatives ou continues de l'invention est la réduction du matériel à installer dans la chaîne de traction du fait que les convertisseurs sont réutilisés en fonction des diverses30 tensions disponibles. Il résulte de ce qui précède qu'aucun des convertisseurs reste inutilisés comme c'est le cas dans les dispositifs de l'art antérieur. Un autre avantage du dispositif et du procédé d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de traction au moyen de convertisseurs à partir de différentes tensions alternatives ou continues de l'invention est la diminution du nombre de contacteurs, plus particulièrement dans le cas d'une alimentation de 1500V. Un autre avantage du dispositif et du procédé d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de traction au moyen de convertisseurs à partir de différentes tensions alternatives ou continues de l'invention est la suppression d'inductances. Un autre avantage du dispositif et du procédé d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de traction au moyen de convertisseurs à partir de différentes tensions alternatives ou continues de l'invention est que la sortie pour l'alimentation de la chaîne de traction est toujours située à la même borne.15 D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description du mode de réalisation préféré du dispositif et du procédé d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de traction au moyen de convertisseurs à partir de différentes20 tensions alternatives ou continues, description faite en liaison avec les dessins dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique du dispositif d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de traction au moyen de convertisseurs à partir de25 différentes tensions alternatives ou continues conforme à l'invention, - la figure 2 reprend la représentation schématique du dispositif d'alimentation conforme à l'invention de la figure 1 dans le cas o la tension d'alimentation disponible30 est une tension alternative UAC, - la figure 3 reprend la représentation schématique du dispositif d'alimentation conforme à l'invention de la figure 1 dans le cas o la tension d'alimentation disponible est une tension continue U1DC égale à la tension35 d'alimentation de la chaîne de traction, - la figure 4 reprend la représentation schématique du dispositif d'alimentation conforme à l'invention de la figure 1 dans le cas o la tension d'alimentation disponible est une tension continue U2DC de l'ordre de la moitié de la 5 tension d'alimentation de la chaîne de traction, - les figures 5 à 7 sont des représentations schématiques d'autres modes de réalisation du dispositif d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de traction au moyen de convertisseurs à partir de différentes10 tensions alternatives ou continues conforme à l'invention. La figure 1 est une représentation schématique du dispositif d'alimentation sous tension continue U1DC d'une chaîne de traction C au moyen de convertisseurs 1, 2 à partir de différentes tensions alternatives ou continues15 UAC, UDC conforme à l'invention. Les différentes tensions alternatives ou continues UAC, UDC sont disponibles sur une ligne d'alimentation 9. Les convertisseurs alternatif/continu 1, 2 sont disposés en série de manière à présenter un point milieu 10. Les convertisseurs alternatif/continu 1, 2 sont connectés côté alternatif AC, respectivement, à un premier 3 et à un second 4 enroulements secondaires d'un transformateur d'alimentation 5 comportant un enroulement primaire 6.25 Les convertisseurs alternatif/continu 1, 2 fournissent, côté continu DC, la tension d'alimentation continue U1DC sur une borne d'alimentation 7 de la chaîne de traction C. La chaîne de traction C comporte, de façon connue de l'art antérieur, au moins un moteur de traction (non représenté) et des convertisseurs (non représentés) permettant le réglage du point de fonctionnement des moteurs de traction, la tension d'alimentation U1DC étant une tension continue.35 Le dispositif d'alimentation de la chaîne de traction C est alimenté au moyen d'un premier élément d'alimentation 8A et d'un second élément d'alimentation 8B connectés, d'une part, à la ligne d'alimentation 9. Conformément à une caractéristique essentielle de l'invention, le dispositif d'alimentation de la chaîne de traction C est tel que le premier élément d'alimentation 8A est susceptible d'être connecté, d'autre part, à l'enroulement primaire 6 du transformateur d'alimentation 5, au moyen d'un premier élément de connexion 11A, et le second élément d'alimentation 8B est susceptible d'être connecté, d'autre part, soit à la borne d'alimentation 7 de la chaîne de traction C, soit au point milieu 10 des convertisseurs séries 1, 2, au moyen d'un second élément de connexion liB. Les convertisseurs 1, 2 sont par exemple du type pont monophasé à commutations forcées PMCF. Le transformateur d'alimentation 5 et les convertisseurs 1, 2 sont donc capable de réaliser l'alimentation DC d'une chaîne de traction à partir des tensions d'alimentation suivantes: - toute tension alternative UAC, une tension continue U1DC égale à la tension d'alimentation de la chaîne de traction, - une tension continue U2DC de l'ordre de la moitié de la tension d'alimentation de la chaîne de traction. Comme il sera décrit plus en détail ci-après, une fonction d'onduleur et une fonction de redresseur est susceptible d'être affectée aux convertisseurs 1, 2 selon que la chaîne de traction travaille en freinage ou en traction. La répartition de ces fonctions est effectuée au moyen des premier (11A) et second (11B) éléments de connexion. La figure 2 reprend la représentation schématique du dispositif d'alimentation conforme à l'invention de la figure 1 dans le cas o la tension d'alimentation disponible est une tension alternative UAC.35 Le dispositif d'alimentation de la chaîne de traction est alimenté au moyen du premier élément d'alimentation 8A connecté, d'une part, à la ligne d'alimentation 9 et d'autre part à l'enroulement primaire 6 du transformateur d'alimentation 5. Les deux convertisseurs 1, 2 connectés en série alimente la chaîne de traction C sous une tension de U1DC. Chaque convertisseurs 1, 2 n'a à ses bornes de sortie qu'une tension de l'ordre de U1DC/2. La tension d'alimentation disponible UAC est par exemple égale à 25 kV, 50 Hz ou à 15 kV, 16 2/3 Hz. La figure 3 reprend la représentation schématique du dispositif d'alimentation conforme à l'invention de la figure 1 dans le cas o la tension d'alimentation disponible est une tension continue U1DC égale à la tension d'alimentation de la chaîne de traction.15 Le dispositif d'alimentation de la chaîne de traction C est alimenté au moyen du second élément d'alimentation 8B connecté, d'une part, à la ligne d'alimentation 9 et d'autre part à la borne d'alimentation de la chaîne de traction 7. La chaîne de traction C est de préférence alimentée par l'intermédiaire d'un dispositif de filtrage 12, par exemple du type inductance et condensateur. Dans le cas présent le transformateur d'alimentation 5 et les convertisseurs 1, 2 ne jouent aucun rôle. Un avantage du dispositif d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de traction au moyen de convertisseurs à partir de différentes tensions alternatives ou continues de l'invention est ici que les condensateurs 14 associés aux convertisseurs peuvent être utilisés pour réaliser tout ou partie du dispositif de filtrage 12.30 La tension continue U1DC est par exemple égale à 3000V DC. La figure 4 reprend la représentation schématique du dispositif d'alimentation conforme à l'invention de la figure 1 dans le cas o la tension d'alimentation disponible35 est une tension continue U2DC de l'ordre de la moitié de la tension d'alimentation de la chaîne de traction. Le dispositif d'alimentation de la chaîne de traction C est alimenté au moyen du second élément d'alimentation 8B connecté, d'une part, à la ligne d'alimentation 9 et d'autre part au point milieu 10 des convertisseurs 1, 2 séries. 5 Le dispositif d'alimentation est donc alimenté au niveau du point milieu 10 des convertisseurs 1, 2 séries. Dans une telle configuration, l'un des convertisseurs 2 fonctionne en onduleur et fourni de la puissance au transformateur 5 d'alimentation par l'intermédiaire de l'enroulement secondaire associé 4 à ce convertisseur 2. Le second convertisseur 1 fonctionne en redresseur et utilise la puissance fournie par le convertisseur 2 précédent pour maintenir à ses bornes de sortie une tension U telle que:15 U = U1DC - U2DC Les fonctions d'onduleur et de redresseur sont affectées aux convertisseurs 1, 2 selon que la chaîne de traction travaille en freinage ou en traction. La tension continue U2DC est par exemple égale à 1500V DC. Les figures 5 à 7 sont des représentations schématiques d'autres modes de réalisation du dispositif d'alimentation sous tension continue d'une chaîne de traction au moyen de convertisseurs à partir de différentes25 tensions alternatives ou continues conforme à l'invention. Dans de tels modes de réalisation, le transformateur d'alimentation comporte un enroulement supplémentaire 13. Cet enroulement supplémentaire 13 du transformateur d'alimentation 5 alimente un autre circuit, par exemple les auxiliaires de la chaîne de traction. La figure 5 est une représentation schématique du dispositif d'alimentation conforme à l'invention dans le cas o la tension d'alimentation disponible est une tension alternative UAC. Ce mode de réalisation correspond au fonctionnement classique d'un transformateur à plusieurs enroulements secondaires. La figure 6 est une représentation schématique du dispositif d'alimentation conforme à l'invention dans le cas o la tension d'alimentation disponible est une tension continue UlDC égale à la tension d'alimentation de la chaîne de traction. Conformément à cet autre mode de réalisation, les convertisseurs 1, 2 fonctionnent en onduleur ou en redresseur et fournissent de l'énergie à l'enroulement supplémentaire 13 du transformateur d'alimentation 5 par couplage magnétique. La figure 7 est une représentation schématique du dispositif d'alimentation conforme à l'invention dans le cas o la tension d'alimentation disponible est une tension continue U2DC de l'ordre de la moitié de la tension d'alimentation de la chaîne de traction. Conformément à cet autre mode de réalisation, un des convertisseurs fonctionne en onduleur, un partie de l'énergie étant susceptible d'être utilisée par l'enroulement supplémentaire 13 du transformateur d'alimentation 5. Il résulte de ce qui précède un procédé d'alimentation sous tension continue UlDC d'une chaîne de traction C au moyen de convertisseurs 1, 2 à partir de différentes tensions continues ou alternatives UAC, UDC disponibles sur une ligne d'alimentation 9. Les convertisseurs alternatif/continu 1, 2 sont disposés en série de manière à présenter un point milieu 10. Les convertisseurs alternatif/continu 1, 2 sont connectés côté alternatif AC, respectivement, à un premier 3 et à un second 4 enroulements secondaires d'un transformateur d'alimentation 5 comportant un enroulement35 primaire 6. Les convertisseurs alternatif/continu 1, 2 fournissent, côté continu DC, la tension d'alimentation continue U1DC sur une borne d'alimentation 7 de la chaîne de traction C. 5 Le dispositif d'alimentation de ladite chaîne de traction C est alimenté au moyen d'un premier élément d'alimentation 8A et d'un second élément d'alimentation 8B connectés, d'une part, à ladite ligne d'alimentation 9. Le procédé d'alimentation de la chaîne de traction C comporte une étape consistant à connecter le premier élément d'alimentation 8A, d'autre part, à l'enroulement primaire 6 du transformateur d'alimentation 5, au moyen d'un premier élément de connexion 11A, lorsque ladite tension d'alimentation disponible sur ladite ligne d'alimentation 9 est une tension alternative UAC, ou à connecter le second élément d'alimentation 8B, au moyen d'un second élément de connexion 11B, d'autre part, soit à la borne d'alimentation 7 de la chaîne de traction C, lorsque la tension d'alimentation disponible sur ladite ligne d'alimentation 9 est une tension continue U1DC égale à la tension d'alimentation de la chaîne de traction C, soit au point milieu 10 des convertisseurs séries 1, 2, lorsque la tension d'alimentation disponible sur la ligne d'alimentation 9 est une tension continue U2DC de l'ordre de la moitié de la25 tension d'alimentation de la chaîne de traction C. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation sous tension continue U1DC d'une chaîne de traction C au moyen de convertisseurs (1, 2) à partir de différentes tensions alternatives ou continues UAC, UDC disponibles sur une ligne d'alimentation (9), lesdits convertisseurs alternatif/continu (1, 2) étant disposés en série de manière à présenter un point milieu (10), lesdits convertisseurs alternatif/continu (1, 2) étant connectés côté alternatif AC, respectivement, à un premier (3) et à un second (4) enroulements secondaires d'un transformateur d'alimentation (5) comportant un enroulement primaire (6), lesdits convertisseurs alternatif/continu (1, 2) fournissant, côté continu DC, ladite tension d'alimentation continue UlDC sur une borne d'alimentation (7) de ladite chaîne de traction C, ledit dispositif d'alimentation de ladite chaîne de traction C étant alimenté au moyen d'un premier élément d'alimentation (8A) et d'un second élément d'alimentation (8B) connectés, d'une part, à ladite ligne d'alimentation (9), ledit dispositif d'alimentation de ladite chaîne de traction C étant caractérisé en ce que ledit premier élément d'alimentation (8A) est susceptible d'être connecté, d'autre part, audit enroulement primaire (6) dudit transformateur d'alimentation (5), au moyen d'un premier élément de connexion (11A), et ledit second élément d'alimentation (8B) est susceptible d'être connecté, d'autre part, soit à ladite borne d'alimentation (7) de ladite chaîne de traction C, soit audit point milieu (10) desdits convertisseurs séries (1, 2), au moyen d'un second élément de connexion (11B). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'alimentation sous tension continue U1DC de ladite chaîne de traction C est effectuée à partir de toute tension alternative UAC. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'alimentation sous tension continue U1DC de ladite chaîne de traction C est effectuée à partir d'une tension continue U1DC égale à la tension d'alimentation de ladite chaîne de traction C. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'alimentation sous tension continue U1DC de ladite chaîne de traction C est effectuée à partir d'une tension continue U2DC de l'ordre de la moitié de la tension d'alimentation de ladite chaîne de traction C. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, dans lequel ladite chaîne de traction C est alimenté par l'intermédiaire d'un dispositif de filtrage (12). 6. Dispositif selon les revendications 3 et 5, dans lequel ledit dispositif de filtrage (12) comportant des condensateurs, tout ou partie de ces condensateurs sont constitués des condensateurs associés auxdits convertisseurs (1, 2). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ledit transformateur d'alimentation (5) comporte un enroulement supplémentaire (13). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits convertisseurs (1, 2) sont du type pont monophasé à commutations forcées PMCF. 9. Procédé d'alimentation sous tension continue U1DC d'une chaîne de traction C au moyen de convertisseurs (1, 2) à partir de différentes tensions alternatives ou continues UAC, UDC disponibles sur une ligne d'alimentation (9), lesdits convertisseurs alternatif/continu (1, 2) étant disposés en série de manière à présenter un point milieu (10), lesdits convertisseurs alternatif/continu (1, 2) étant connectés côté alternatif AC, respectivement, à un premier (3) et à un second (4) enroulements secondaires d'un transformateur d'alimentation (5) comportant un enroulement primaire (6), lesdits convertisseurs alternatif/continu (1, 2) fournissant, côté continu DC, ladite tension d'alimentation continue U1DC sur une borne d'alimentation (7) de ladite chaîne de traction C, ledit dispositif d'alimentation de ladite chaîne de traction C étant alimenté au moyen d'un premier élément d'alimentation (8A) et d'un second élément d'alimentation (8B) connectés, d'une part, à ladite ligne d'alimentation (9), ledit procédé d'alimentation de ladite chaîne de traction C étant caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant à connecter ledit premier élément d'alimentation (8A), d'autre part, audit enroulement primaire (6) dudit transformateur d'alimentation (5), au moyen d'un premier élément de connexion (11A), lorsque ladite tension d'alimentation disponible sur ladite ligne d'alimentation (9) est une tension alternative UAC, ou à connecter ledit second élément d'alimentation (8B), au moyen d'un second élément de connexion (llB), d'autre part, soit à ladite borne d'alimentation (7) de ladite chaîne de traction C, lorsque ladite tension d'alimentation disponible sur ladite ligne d'alimentation (9) est une tension continue U1Dc égale à la tension d'alimentation de ladite chaîne de traction C, soit audit point milieu (10) desdits convertisseurs séries (1, 2), lorsque ladite tension d'alimentation disponible sur ladite ligne d'alimentation (9) est une tension continue U2DC de l'ordre de la moitié de la tension d'alimentation de ladite chaîne de traction C.