Brevet FR2780548A1 — publié le 19991231

La présente invention concerne un ensemble d'alimentation électrique d'une charge à partir d'une source d'énergie, par l'intermédiaire d'un appareil électrique à commutation, ainsi qu'une locomotive électrique comprenant un tel ensemble. Un appareil électrique à commutation, tel qu'un disjonc- teur, est le lieu d'un arc électrique, lors de sa commutation. Dans certaines circonstances, en particulier lorsque la commutation de cet appareil électrique est basée sur celle d'une ampoule sous vide, l'arc électrique est extrêmement instable, à savoir qu'il est soumis à de multiples interrup- tions suivies de phases de reprise correspondantes. Les instabilités de l'arc correspondent à des ruptures et ré-établissements successifs de cet arc sous vide. Des pertur- bations électromagnétiques sont ainsi générées sous la forme de forts gradients de courant qui peuvent soit directement venir perturber des appareils électroniques embarqués, soit venir exciter des circuits résonants de type RLC associés à l'appa- reil de commutation. A titre d'exemple, dans le cas d'une tension de service alternative de 50Hz et de 25 kV, l'apparition d'un arc électri- que lors de la commutation génère des courants de 300A en 5 ns environ. Ces courants engendrent des perturbations susceptibles d'endommager ou de gêner le bon fonctionnement des équipements situés à proximité de l'appareil électrique à commutation, tels qu'une électronique de commande embarquée lorsque cet appareil est monté sur une locomotive. Afin de maintenir cet arc électrique dans un état relati- vement stable, et donc de réduire les perturbations dues à la commutation de ces appareils électriques, il est connu, par exemple par JP-A-1 086 425 et JP-A-4 322 024, de disposer un cylindre réalisé en ferrite autour de la ligne électrique située en aval de l'appareil électrique à commutation. Ce cylindre ferritique se comporte comme une impédance dont la valeur augmente avec la fréquence du courant. Bien qu'une telle solution permette une atténuation du courant généré lors de la commutation, par comparaison avec l'utilisation d'un appareil électrique à commutation seul, elle se révèle cependant insuffisante, dans la mesure o une telle atténuation n'est effective que tardivement. L'invention se propose de réaliser un ensemble électrique à commutation permettant de pallier l'ensemble des inconvé- nients de l'art antérieur évoqué ci-dessus. A cet effet, elle a pour objet un ensemble d'alimentation électrique d'une charge, notamment un transformateur, à partir d'une source d'énergie, par l'intermédiaire d'un appareil électrique à commutation, notamment un disjoncteur, comprenant un dispositif d'atténuation des perturbations dues à la commutation, de type ferritique, caractérisé en ce que ledit dispositif d'atténuation des perturbations est placé entre ladite source d'énergie et ledit appareil électrique à commuta- tion. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le dispositif d'atténuation des perturbations comprend plusieurs éléments ferritiques disposés autour d'une ligne conductrice reliant la source d'énergie amont et l'appa- reil électrique à commutation; - les éléments ferritiques sont répartis axialement par paires successives, chaque paire étant composée d'un élément ferritique haute fréquence associé à un élément ferritique basse fréquence, l'élément ferritique haute fré- quence possédant une fréquence de coupure supérieure à celle de l'élément ferritique basse fréquence; - la fréquence de coupure de l'élément ferritique haute fréquence est comprise entre 5 et 20 MHz, de préférence entre 7 et 10 MHz, alors que la fréquence de coupure de l'élé- ment ferritique basse fréquence est comprise entre 0,5 et 5 MHz, de préférence entre 0,8 et 2 MHz; - le dispositif d'atténuation des perturbations comprend entre 2 et 20 paires d'éléments ferritiques, de préférence entre 5 et 12; - les deux éléments ferritiques de chaque paire sont annulaires et sont imbriqués l'un dans l'autre, l'élément ferritique haute fréquence étant disposé à la périphérie exté- rieure de l'élément ferritique basse fréquence. L'invention a également pour objet une locomotive électri- que comprenant un ensemble d'alimentation électrique tel que décrit ci-dessus. L'invention va être décrite ci-dessous, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe illustrant l'implantation, au sein d'une locomotive électrique, d'un ensemble d'alimentation électrique conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue de côté illustrant plus particulièrement certains éléments de l'ensemble d'alimentation électrique conforme à l'invention; - la figure 3 est une vue en perspective d'un dispositif d'atténuation des perturbations dues à la commuta- tion, appartenant à l'ensemble d'alimentation électrique de l'invention; la figure 4 est une coupe longitudinale partielle du dispositif d'atténuation des perturbations illustré à la figure 3; - la figure 5 est un schéma d'une simulation expéri- mentale en laboratoire de l'appareil électrique à commutation de la figure 1, et de son environnement électrique; et - les figures 6, 7 et 8 représentent des oscillogram- mes de la tension amont, de la tension aval et du courant relatifs à l'appareil électrique à commutation simulé à la figure 5, respectivement dépourvu d'un dispositif d'atténuation des perturbations et pourvu d'un tel dispositif placé en aval et en amont de l'appareil électrique à commutation. La figure 1 représente une locomotive désignée dans son ensemble par la référence 2, susceptible de circuler sur des rails 4 reliés à la terre 6. Cette locomotive 2 est munie d'un transformateur embarqué 8 alimenté au moyen d'une caténaire 10 par l'intermédiaire d'un pantographe 12. Cette caténaire 10 constitue une source d'éner- gie, alors que le transformateur est lié au moteur non repré- senté de la locomotive. Entre cette caténaire 10 et ce transformateur 8 sont intercalés un appareil électrique à commutation, qui est un disjoncteur 14, ainsi qu'un dispositif 16 d'atténuation des perturbations dues à la commutation, qui sera décrit plus en détail dans ce qui suit. Le disjoncteur à ampoule sous vide est un appareil de couplage et de protection des circuits haute tension alternative de la locomotive. Le dispositif 16 d'atté- nuation est disposé entre la caténaire 10 et le disjoncteur 14, à savoir qu'il est placé en amont de ce dernier. L'ensemble de l'appareillage électrique de toiture de la locomotive 2, à savoir notamment les lignes électriques de connexion entre les équipements de toiture de cette locomotive, sont le lieu de capacités parasites et d'inductances parasites, qui sont autant de circuits de type RLC susceptibles d'être excités lors de la commutation du disjoncteur. Les capacités parasites sont schématisées, sur la figure 1, par des capacités équivalentes respectivement amont 18 et aval 20, en faisant référence au disjoncteur 14. Les inductances parasites sont schématisées, sur la figure 1, par des selfs de connexion respectivement amont 22 et aval 24, toujours en référence au disjoncteur 14. La caisse de la locomotive est illustrée par un circuit équivalent LC désigné par la référence 26, sur cette figure 1, qui représente la résonance de la structure métallique de la locomotive. La figure 2 représente, de manière plus précise, le disjoncteur 14, qui est par exemple conforme à celui commercia- lisé par la société GEC ALSTHOM TRANSPORT SA sous la référence ACB 25-10. Le disjoncteur est disposé, de manière connue, dans la toiture de la locomotive 2. Il repose sur une plaque de base 28 et sa commande est assurée par une platine de relayage 30. Un parafoudre 32, s'étendant depuis la plaque support 28, est connecté au disjoncteur 14. Ces éléments sont classiques. Le dispositif 16 d'atténuation des perturbations est monté sur un isolateur 34 prenant lui-même appui sur la plaque 28. Ce dispositif 16 est formé autour d'un élément conducteur 36, en l'occurrence un tube de cuivre qui présente deux connexions respectivement amont 38 et aval 40. La connexion amont 38 est reliée, par des moyens non représentés, à la caténaire 10 alors que la borne aval 40 est mise en relation avec le disjoncteur 14 par l'intermédiaire d'une connexion électrique 42, du type tresse électrique. Comme le montre plus particulièrement la figure 4, le dispositif 16 d'atténuation des perturbations comprend plu- sieurs éléments ferritiques annulaires 44, 46, qui seront décrits plus en détail dans ce qui suit. L'ensemble de ces éléments 44, 46 est logé dans un boîtier cylindrique 48 isolant, globalement fermé à ses deux extrémités et réalisé en fibre de verre, résine ou bien encore époxy. Ce boîtier 48 est fixé à une embase 50 en forme de U, par l'intermédiaire de deux étriers 52. L'embase 50 est elle-même assujettie sur le sommet de l'isolateur 34. Comme le montre plus précisément la figure 4, les éléments ferritiques sont disposés par paires empilées axialement le long du tube de cuivre 36. Chaque paire d'éléments ferritiques est formée d'un élément basse fréquence 44 disposé à la périphérie extérieure du tube de cuivre 36, et d'un élément haute fréquence 46 annulaire dont la périphérie intérieure est disposée au voisinage de l'élément basse fréquence 44. Le boîtier 48 renferme dix paires d'éléments ferritiques respectivement basse et haute fréquence, dont seules celles 44, 46 et 44A, 46A ont été référencées sur cette figure 4. La notion de ferrites respectivement haute et basse fréquence va être explicitée ci-dessous. De manière habituelle, un élément ferritique est caractérisé par ses perméabilités relatives, respectivement réelle Y' et imaginaire À". Or, A" croît avec la fréquence pour atteindre un maximum à une fréquence dite de coupure, dénommée par convention fc, puis décroît fortement par la suite. Dans le cadre de la présente description, les éléments ferritiques 44, 44A sont appelés "basse fréquence" car leur fréquence de coupure est inférieure à celle des éléments dits "haute fréquence" 46, 46A. La fréquence de coupure des éléments ferritiques haute fréquence est par exemple comprise entre 5 et 20 MHz, alors que la fréquence de coupure des éléments ferritiques basse fréquence est par exemple comprise entre 0,5 et 5 MHz. Un élément ferritique basse fréquence est par exemple commercialisé par la société Thomson CSF-LCC sous la référence B1-T-63000A, alors qu'un élément ferritique haute fréquence est commercialisé par la société Philips Components sous la référence T107/65/253F4. Une feuille 54 de protection mécanique est interposée entre les surfaces en regard des éléments ferritiques basse et haute fréquence 44, 46. Une telle feuille est par exemple réalisée en résine de type polyuréthanne, commercialisée par la société LVA sous la référence DAMIVAL 13518AW00. Une autre feuille 56, analogue à la feuille 54, est interposée entre la périphérie extérieure de l'élément haute fréquence 46 et le boîtier 48. L'invention permet de réaliser les objectifs précédemment mentionnés. En effet, prévoir le dispositif d'atténuation des pertur- bations en amont de l'appareil électrique à commutation, permet de réduire de manière notable les perturbations dues à la commutation, en comparaison avec l'art antérieur dans lequel ce dispositif d'atténuation est prévu en aval de l'appareil électrique. La figure 5 représente un schéma expérimental réalisé en laboratoire, destiné à étayer ces avantages. Ce schéma expéri- mental reproduit de manière simplifiée les phénomènes interve- nant en toiture de la locomotive de la figure 1. Le disjoncteur 14, employé en vue de cette expérimenta- tion, est utilisé dans sa configuration industrielle. Le schéma électrique équivalent de ce disjoncteur est formé de deux capacités parasites amont 14A et aval 14B, égales à 40 pF et 60 pF, d'une capacité inter-électrodes 14C de valeur variable, et de deux selfs de connexion 14D et 14E, dont la valeur est de 0,4 gH. Le disjoncteur 14 est alimenté au moyen d'une source d'alimentation 58 continue, sous 20 kV au maximum et 1 mA. Une résistance de charge 60, dont la valeur est égale à 10 M Q, est intercalée entre la source 38 et le disjoncteur 14. Le schéma expérimental de la figure 5 reprend également la capacité équivalente amont 18, d'une valeur de 2 nF, ainsi que la self de connexion aval 24, d'une valeur de 25 RH. On mesure, en 62, la tension immédiatement en amont du disjoncteur 14, cette tension étant dénommée dans ce qui suit "tension amont". On mesure également, en 64, la tension en aval du disjoncteur, ou "tension aval". Enfin, en aval de la self 24, on mesure le courant, en 66. Une fois la capacité 18 chargée, on lance la fermeture du disjoncteur 14. Une telle expérience est réalisée dans un premier temps en l'absence de tout dispositif d'atténuation des perturbations liées à la commutation, les résultats correspon- dants étant consignés à la figure 6. Puis, cette expérience est mise en oeuvre en associant au disjoncteur 14 un dispositif d'atténuation des perturbations 16, conforme à celui décrit en référence aux figures 3 et 4. Lorsque le dispositif 16 est placé en aval du disjoncteur 14, comme cela est représenté en pointillés à la figure 5, les résultats correspondants sont consignés à la figure 7. La figure 8 correspond aux résultats de l'expérience menée avec un dispositif d'atténuation des perturbations placé en amont du disjoncteur 14, à savoir conformément à l'invention, comme cela est représenté en traits mixtes à la figure 5. Sur l'ensemble des figures 6 à 8, le temps est représenté en abscisses, à une échelle de 20 ns/carreau. En ordonnées, on retrouve, de haut en bas, la tension amont, représentée par les références 72A, 72B et 72C respectivement aux figures 6, 7 et 8, puis la tension aval représentée par les références 74A, 74B et 74C sur les figures 6, 7 et 8, et enfin le courant au sein du disjoncteur représenté par les références 76A, 76B et 76C sur les figures 6, 7 et 8. L'échelle des tensions amont 72 est de 2 000 volts/car- reau, celle des tensions aval 74 de 1 000 volts/carreau alors que celle des courants 76 est de 4A/carreau. En faisant référence à la figure 6, on constate que le courant 76A est tout d'abord nul avant la commutation, puis augmente en 78 sous l'effet de la fermeture du disjoncteur qui entraîne la formation d'un arc instable. Ceci a pour effet de créer des fronts de montée correspondants 80 et 82 au niveau des tensions respectivements amont 72A et aval 74A. Puis, le courant, tout en présentant un profil très irrégulier, voit sa valeur augmenter, puis redescendre jusqu'à atteindre sa valeur initiale nulle, en 84. Ceci a pour effet de provoquer des variations importantes, en 86 et 88, des tensions respective- ment amont 72A et aval 74A, qui sont liées à la coupure et au rétablissement successifs de l'arc. Le courant 76A décrit alors une sinusoïde liée à la résonance du circuit LC 18, 24 de la figure 5, puis repasse, en , à sa valeur initiale nulle ce qui a pour effet de provoquer deux variations supplémentaires, en 92 et 94, des tensions amont 72A et aval 74A. En faisant référence maintenant à la figure 7, on constate que le courant 76B possède un profil plus régulier que celui 76A de la figure 6. Cependant, des variations conséquentes de ce courant au fil du temps sont à constater. On note en particulier, en 96, une forte augmentation du courant due à la fermeture du disjoncteur. Ceci est à l'origine de fronts de montée 98, 100 au niveau des tensions amont 72B et aval 74B. Il existe donc des gradients de courant et de tension importants, qui induisent des perturbations de l'électronique embarquée. En se référant enfin à la figure 8, o le dispositif 16 de suppression des perturbations est prévu en amont du disjoncteur 14, le courant 76C présente un profil nettement plus régulier que celui 76B obtenu en plaçant ce dispositif 16 en aval du disjoncteur 14. Seul le front de montée 102 relatif à la tension aval 74C reste significatif. Il ressort de la comparaison de ces figures 6 à 8 que l'utilisation du dispositif 16 de suppression des perturbations en amont du disjoncteur 14, à savoir conformément à l'inven- tion, permet d'obtenir un courant 76 et des tensions amont 72 et aval 74 nettement plus réguliers qu'en l'absence d'un tel dispositif 16, ainsi que dans le cas o ce dispositif 16 est disposé en aval du disjoncteur 14. Ceci est particulièrement avantageux, puisque cela permet de limiter, conformément à l'invention, les effets de résonance des circuits de toiture et de la locomotive. L'invention tire parti de l'utilisation du terme résistif de l'élément ferritique, de façon à créer un filtre de type RC dont la résistance est placée entre le disjoncteur et la source d'énergie, matérialisée par la capacité 18. Le fait d'utiliser plusieurs éléments ferritiques est également avantageux. En effet, les ferrites saturent au fur et à mesure que le courant augmente. Employer plusieurs éléments ferritiques, dont les perméabilités g" s'ajoutent, permet de conférer une efficacité satisfaisante au dispositif de suppres- sion des perturbations qui en est équipé, et ce même pour des valeurs de courant élevées. Il est également avantageux de répartir les éléments ferritiques par paires, dont chacune est composé d'éléments dont les fréquences de coupure sont différentes. Ceci permet un balayage optimal de l'ensemble des fréquences générées à la fermeture du disjoncteur. En effet, au fur et à mesure que la fréquence augmente, c'est tout d'abord l'élément ferritique basse fréquence qui est efficient, puis l'élément ferritique haute fréquence prend son relais pour des fréquences plus élevées. L'utilisation d'éléments ferritiques annulaires imbriqués l'un dans l'autre garantit une grande compacité de l'ensemble du dispositif de suppression des perturbations. Prévoir l'élément ferritique à haute fréquence à la périphérie exté- rieure de l'élément ferritique basse fréquence est avantageux, dans la mesure o cet élément haute fréquence sature pour des valeurs du courant relativement faibles, alors que l'élément basse fréquence voit cette saturation intervenir pour des valeurs de courant plus élevées. Selon un tel arrangement, l'élément haute fréquence est placé à distance du conducteur central, de sorte qu'il est soumis à des champs magnétiques plus faibles n'entraînant sa saturation que dans une moindre mesure. REVENDICATIONS 1. Ensemble d'alimentation électrique d'une charge, notamment un transformateur (8), à partir d'une source d'éner- gie (10), par l'intermédiaire d'un appareil électrique à commutation (14), notamment un disjoncteur, comprenant un dispositif (16) d'atténuation des perturbations dues à la commutation, de type ferritique, caractérisé en ce que ledit dispositif (16) d'atténuation des perturbations est placé entre ladite source d'énergie (10) et ledit appareil électrique à commutation (14). 2. Ensemble d'alimentation électrique suivant la revendi- cation 1, caractérisé en ce que ledit dispositif (16) d'atté- nuation des perturbations comprend plusieurs éléments ferriti- ques (44, 46, 44A, 46A) disposés autour d'une ligne conductrice (36) reliant ladite source d'énergie amont (10) et ledit appareil électrique à commutation (14). 3. Ensemble d'alimentation électrique suivant la revendi- cation 2, caractérisé en ce que lesdits éléments ferritiques sont répartis axialement par paires successives (44, 46, 44A, 46A), chaque paire étant composée d'un élément ferritique haute fréquence (46, 46A) associé à un élément ferritique basse fréquence (44, 44A), ledit élément ferritique haute fréquence possédant une fréquence de coupure supérieure à celle dudit élément ferritique basse fréquence. 4. Ensemble d'alimentation électrique suivant la revendi- cation 3, caractérisé en ce que la fréquence de coupure dudit élément ferritique haute fréquence (46, 46A) est comprise entre 5 et 20 MHz, de préférence entre 7 et 10 MHz, alors que la fréquence de coupure dudit élément ferritique basse fréquence (44, 44A) est comprise entre 0,5 et 5 MHz, de préférence entre 0,8 et 2 MHz. 5. Ensemble d'alimentation électrique suivant la revendi- cation 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit dispositif d'atté- nuation des perturbations comprend entre 2 et 20 paires d'éléments ferritiques (44, 46; 44A, 46A), de préférence entre et 12. 6. Ensemble d'alimentation électrique suivant l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les deux éléments ferritiques de chaque paire (44, 46; 44A, 46A) sont annulaires et sont imbriqués l'un dans l'autre, ledit élément ferritique haute fréquence (46, 46A) étant disposé à la périphérie exté- rieure de l'élément ferritique basse fréquence (44, 44A). 7. Locomotive électrique (2), comprenant un ensemble d'alimentation électrique (8, 10, 14, 16) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.