Brevet FR2780215A1 — publié le 19991224

Circuit de traction pour un véhicule ferroviaire L'invention concerne un circuit de traction destiné à un véhicule ferroviaire comprenant plusieurs premiers systèmes convertisseurs de courant élémentaires connectés en série, par l'intermédiaire d'au moins une bobine, entre un système caténaire/pantographe et un système roue/rail, chaque premier système convertisseur de courant élémentaire étant formé d'au moins un redresseur à quatre quadrants côté primaire, un circuit intermédiaire de tension continue côté primaire, d'au moins un onduleur côté primaire, d'au moins un transformateur et d'au moins un redresseur à quatre quadrants côté secondaire, des seconds systèmes convertisseurs de courant connectés en parallèle côté secondaire formant un circuit intermédiaire de tension continue commun côté secondaire. Un circuit de traction de ce type, pour un véhicule ferroviaire, est proposé dans la demande de brevet allemand DE 196 302 84 AI. La particularité de ce circuit de traction réside en ce que la tension alternative relativement élevée entre le système caténaire/pantographe et le système roue/rail est divisée conformément au nombre des premiers systèmes convertisseurs de courant élémentaires, de sorte que chaque redresseur à quatre quadrants ou onduleur des premiers systèmes convertisseurs de courant élémentaires peut utiliser des commutateurs à semiconducteurs avec une tenue en tension inverse normale. Le nombre des seconds systè- mes convertisseurs de courant élémentaires est fonction du nombre de moteurs de traction qui sont nécessaires. La présente invention a pour but de proposer un circuit de trac- tion pour des véhicules ferroviaires du type indiqué en introduction qui permette d'obtenir un lancement sûir. Ce but est atteint par le fait que le circuit intermédiaire de ten- sion continue côté secondaire est connecté à un circuit de démarrage et que l'alimentation des éléments de circuit côté réseau, y compris des disposi- tifs de commande pour les commutateurs à semiconducteurs du redresseur à quatre quadrants c6té primaire a lieu par le biais des circuits intermé- diaires de tension continue côté primaire ou à partir des tensions alternati- ves des onduleurs concernés côté primaire ou à partir des tensions alterna- tives côté primaire des transformateurs concernés. Conformément à l'invention, le circuit de démarrage comporte un pont de diodes qui peut être connecté, côté tension continue, au circuit intermédiaire de tension continue côté secondaire et, côté tension alterna- tive, entre le système caténaire/pantographe et le système roue/rail par l'intermédiaire d'une résistance de charge, un transformateur étant prévu entre la résistance de charge et le pont de diodes. Selon une caractéristique particulière de l'invention, la connexion au système caténaire/pantographe a lieu par l'intermédiaire d'une bobine d'entrée principale et d'un condensateur d'entrée principal d'un filtre de réseau à haute tension, un commutateur de traction étant prévu entre le filtre de réseau à haute tension et le premier système conver- tisseur de courant élémentaire. Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit de démarrage comporte une batterie avec un régulateur associé. Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit de démarrage comporte un transformateur de réseau avec un redresseur et une résistance de charge associés. Les avantages procurés par l'invention résident notamment dans le fait qu'un lancement relativement rapide du circuit peut être obtenu avec un circuit de démarrage bon marché. On évite ainsi, de manière avan- tageuse, l'utilisation de composants de circuit chers, spécialement adap- tés pour les hautes tensions, ainsi que des circuits de commande pour les commutateurs à semiconducteurs des convertisseurs de courant utilisés. Les opérations de compensation sont évitées ou tout au moins sont rédui- tes à un niveau permettant de les gérer avec des moyens simples. L'alimen- tation en énergie du circuit de démarrage peut se faire soit à partir d'une batterie d'accumulateurs soit à partir du réseau. L'invention sera décrite ci-après à l'aide des exemples de réali- sation représentés sur les dessins. Ceux-ci montrent: figure 1, l'agencement de principe du circuit de traction, figure 2, un mode de réalisation du premier système convertis- seur de courant, figure 3, une variante de réalisation du premier système conver- tisseur de courant (circuit en demi-pont), figure 4, un premier mode de réalisation d'un circuit de démar- rage, figure 5, un deuxième mode de réalisation d'un circuit de démar- rage, figure 6, un troisième mode de réalisation d'un circuit de démar- rage, figure 7, un quatrième mode de réalisation d'un circuit de démar- rage. La figure 1 montre l'agencement de principe du circuit de trac- tion, tel qu'il est divulgué pour une grande part dans le brevet DE 196 302 84 A1. Entre un système caténaire/pantographe 1 et un sys- tème roue/rail 2, sont disposés n premiers systèmes convertisseurs de cou- rant élémentaires 6.1... 6.n qui sont connectés en série côté réseau (côté primaire) et en parallèle côté secondaire et sont agencés conformément à la figure 2 ou à la figure 3. La connexion du système convertisseur de cou- rant élémentaire 6.1 au système caténaire/pantographe 1 s'effectue par deux bobines d'entrée principales 4 montées en série d'un filtre de réseau à haute tension et d'un commutateur principal 3. Le point de connexion des deux bobines d'entrée principales 4, en fonctionnement normal, est relié à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur d'entrée principal 5 du fil- tre de réseau à haute tension. Chaque système convertisseur de courant élémentaire 6.1... 6n (n=2, 3, 4, 5) selon la figure 2 ou la figure 3 se compose d'un convertisseur à quatre quadrants (redresseur) 7 côté primaire qui fonctionne avec une fréquence allant jusqu'à de préférence 500 Hz environ, d'un circuit inter- médiaire de courant continu 8 côté primaire avec au moins un condensa- teur de circuit intermédiaire 9 côté primaire, d'un onduleur 10 côté pri- maire fonctionnant à une fréquence comprise de préférence dans une plage allant de 8 à 20 kHz, d'un transformateur 12, d'un convertisseur à quatre quadrants (redresseur) 14 côté secondaire fonctionnant à une fréquence comprise de préférence dans une plage allant de 8 à 20 kHz et d'au moins un condensateur de circuit intermédiaire 16 côté secondaire. Les conden- sateurs de circuit intermédiaire 16 branchés en parallèle forment une capacité partielle du circuit secondaire de tension continue 15 côté secon- daire commun. Un condensateur à tension alternative 11, 13 est monté en série avec respectivement l'enroulement primaire et l'enroulement secon- daire du transformateur 12. L'autre capacité partielle du circuit intermédiaire de courant continu 15 côté secondaire commun est formée par des condensateurs de circuit intermédiaire 18 de m (m=2, 3, 4) seconds systèmes convertisseurs de courant élémentaires 17.1... 17.m. Entre les circuits intermédiaires de tension continue 8 côté primaire et le circuit intermédiaire de tension continue 15 côté secondaire est prévu un couplage rigide. Chaque second système convertisseur de courant élémentaire 17.1... 17.m comporte un onduleur (convertisseur moteur) 21 fonctionnant avec une fréquence allant de préférence jusqu'à environ 500 Hz, auquel est connecté un moteur de traction 22.1...22.m. Chaque second système convertisseur de courant élémentaire peut comporter un circuit résonnant 19 et une résis- tance de freinage avec commutateur à semiconducteurs 20. L'alimentation des éléments de circuit côté réseau, y compris des dispositifs de commande pour les commutateurs à semiconducteurs des convertisseurs à quatre-quadrants 7 et des onduleurs 10 a lieu à partir des circuits intermédiaires de tension continue 8 côté primaire concernés ou à partir des tensions alternatives des onduleurs 10 concernés ou à partir des tensions alternatives côté primaire des transformateurs 12 concernés. Ceci permet, de manière avantageuse, d'éviter des parties de réseau à haute tension. Le potentiel de tension du circuit intermédiaire de tension continue 15 côté secondaire est situé dans le voisinage du potentiel de masse, de sorte que des éléments de réseau standard (pour une tenue en tension normale) suffisent pour alimenter les éléments de circuit, y com- pris les dispositifs de commande pour les commutateurs à semiconduc- teurs des convertisseurs quatre quadrants 14 et des onduleurs 21. Un circuit de démarrage 23 assure le démarrage du circuit et réa- lise dans un premier temps le chargement du circuit intermédiaire de ten- sion continue 15 côté secondaire, c'est-à-dire que les bornes du circuit de démarrage 23 sont reliées aux pôles du circuit intermédiaire de tension continue 15 côté secondaire. Un premier mode de réalisation d'un circuit de démarrage 23 est représenté sur la figure 4. Les entrées du circuit de démarrage 23 qui peu- vent être reliées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'un commutateur de démarrage 24 sont connectées par l'intermédiaire d'une résistance de charge 25 et d'un commutateur 37 aux bornes de tension alternative d'un pont de diodes 26, dont les bornes de tension continue mènent au circuit intermédiaire de tension continue 15 côté secondaire. Le commutateur 37 sert à isoler du réseau le circuit intermédiaire de tension continue 15 côté secondaire pendant le fonctionnement normal. Pendant qu'une des entrées du circuit de démarrage 23 est connectée au système roue/rail, l'autre entrée du circuit de démarrage 23 est connectée par l'intermédiaire du condensateur d'entrée principal 5 au point de connexion commun des deux bobines d'entrée principales 4. La connexion entre les bobines d'entrée principales 4 et le premier système convertisseur de courant partiel 6.1 peut être interrompue pour le lance- ment à l'aide d'un commutateur de traction 29. Le courant de filtre qui circule dans le condensateur d'entrée principal 5 est désigné iF, la tension de réseau disponible entre le système caténaire/pantographe 1 et le système roue/rail 2 est désignée uN et la ten- sion à l'entrée du commutateur de démarrage 24 est désignée uS. La figure 5 montre un deuxième mode de réalisation d'un circuit de démarrage. Par rapport au mode de réalisation de la figure 4, le commu- tateur 37 est supprimé dans ce circuit de démarrage 23. La résistance de charge 25 est connectée au pont de diodes 26 par l'intermédiaire d'un transformateur 30 fonctionnant à la fréquence du réseau, qui assure la séparation de potentiel du circuit intermédiaire de tension continue 15 côté secondaire d'avec le réseau. On obtient ainsi une meilleure séparation de potentiel par rapport au mode de réalisation de la figure 4, ce qui est avantageux pour des raisons de protection. Le circuit intermédiaire de tension continue 15 côté secondaire, pour des raisons protection, peut être relié à la terre sans que le fonctionnement du pont de diodes 26 soit affecté. La tension au niveau du transformateur 30 est désignée uT. Les deux modes de réalisation selon les figures 4 et 5, ont pour avantage que le filtre de réseau à haute tension, notamment le condensa- teur d'entrée principal 5, se charge pendant le lancement, ce qui empêche les phénomènes de compensation ou tout au moins les limite. La figure 6 représente un troisième mode de réalisation d'un cir- cuit de démarrage 23. Dans ce circuit de démarrage 23, une batterie 31 est connectée via un régulateur 32 - de préférence un chargeur de batterie bi- directionnel - au circuit intermédiaire de tension continue 15 côté secon- daire. De cette manière, la batterie est chargée en permanence par l'inter- médiaire du régulateur 32 pendant le fonctionnement normal et présente sa pleine capacité pour le processus de lancement. La figure 7 représente un quatrième mode de réalisation d'un cir- cuit de démarrage. Dans ce circuit de démarrage 23, un transformateur de réseau 34 est connecté côté primaire au système caténaire/pantographe 1 et au système roue/rail 2, par l'intermédiaire d'un commutateur de démar- rage 33 et, côté secondaire, au circuit intermédiaire de tension continue 15 côté secondaire par l'intermédiaire d'un redresseur 35 (pont de diodes) et d'une résistance de charge 36. Le transformateur de réseau 34 a pour avan- tage qu'une séparation de potentiel est réalisée entre le circuit intermé- diaire de tension continue 15 côté secondaire et le réseau. Le schéma de lancement prévoit pour tous les modes de réalisa- tion étudiés précédemment, que le circuit de démarrage 23 alimente le cir- cuit intermédiaire de tension continue 15 côté secondaire, le commutateur principal 3 dans les modes de réalisation selon les figures 6, 7 étant ouvert. Le commutateur de démarrage 24 et le commutateur de traction 29, dans les modes réalisation des figures 4 et 5, sont ouverts. Le commutateur 37, dans le mode de réalisation selon la figure 4, ainsi que le commutateur de démarrage 33, dans le mode de réalisation selon la figure 7, sont fermés. Dans les modes de réalisation selon les figures 4 et 5, le commu- tateur principal 3 est fermé, le courant de filtre iF circule dans le filtre de réseau à haute tension, la résistance de charge 25 et le pont de diodes 26 puis dans le circuit intermédiaire de courant continu 15 côté secondaire, ce qui a pour conséquence de charger régulièrement tous les condensa- teurs de circuit intermédiaire 16, 18 connectés en parallèle. Tous les modes de réalisation ont en commun le fait que les cir- cuits de charge débitent dans les circuits intermédiaires côté secondaire. Les commutateurs à semiconducteurs des convertisseurs à quatre qua- drants 14 côté secondaire assurent la synchronisation. La charge des cir- cuits intermédiaires de tension continue 8 côté primaire a lieu par l'inter- médiaire des transformateurs 12 et des diodes des onduleurs 10 côté pri- maire. Lorsque la tension des circuits intermédiaires de tension continue 8 côté primaire atteint une tension de seuil prédéterminée, les dispositifs de commande (composants de réseau) qui assurent l'alimentation/la com- mande des commutateurs à semiconducteurs des convertisseurs à quatre quadrants 7 côté primaire et des onduleurs 10 côté primaire peuvent tra- vailler. Ainsi le circuit de traction est prêt au fonctionnement, dans le principe. Le commutateur principal 3, dans les modes de réalisation selon les figures 6, 7, peut aussi être fermé sans qu'il en résulte des phénomènes de compensation côté réseau (la somme de toutes les tensions des circuits intermédiaires de tension continue côté primaire est supérieure à la ten- sion du réseau). Il en va de même pour le commutateur de traction 29 qui peut être fermé dans les modes de réalisation selon les figures 4 et 5. Les commutateurs de démarrage 24 dans les modes de réalisation selon les figures 4, 5 doivent être fermés pour réaliser la terre du condensateur d'entrée principal. Pour la séparation de potentiel, le commutateur 37 dans le mode de réalisation selon la figure 4 et le commutateur 33 dans le mode de réalisation selon la figure 7 sont ouverts. REVENDICATIONS 1. Circuit de traction destiné à un véhicule ferroviaire, compre- nant plusieurs premiers systèmes convertisseurs de courant élémentaires (6.1... 6.n) connectés en série par l'intermédiaire d'au moins une bobine (4) entre un système caténaire/pantographe (1) et un système roue/rail (2), chaque premier système convertisseur de courant élémentaire étant formé d'au moins un redresseur à quatre quadrants (7) côté primaire, un circuit intermédiaire de tension continue (8) côté primaire, d'au moins un ondu- leur (10) côté primaire, d'au moins un transformateur (12) et d'au moins un redresseur à quatre quadrants (14) côté secondaire, des seconds systèmes convertisseurs de courant (17.1... 17.m) connectés en parallèle côté secondaire formant un circuit intermédiaire de tension continue (15) com- mun côté secondaire, caractérisé par le fait que le circuit intermédiaire de tension continue (15) côté secondaire est connecté à un circuit de démar- rage (23) et que l'alimentation des éléments de circuit côté réseau, y com- pris des dispositifs de commande pour les commutateurs à semiconduc- teurs du redresseur à quatre quadrants (7) côté primaire a lieu par l'inter- médiaire des circuits intermédiaires de tension continue (8) côté primaire ou à partir des tensions alternatives des onduleurs (10) concernés côté pri- maire ou à partir des tensions alternatives côté primaire des transforma- teurs (12) concernés. 2.Circuit de traction selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de démarrage (23) comporte un pont de diodes (26) qui peut être connecté, côté tension continue, au circuit intermédiaire de ten- sion continue (15) côté secondaire et, côté tension alternative, entre le système caténaire/pantographe (1) et le système roue/rail (2) par l'inter- médiaire d'une résistance de charge (25), un transformateur (30) étant prévu entre la résistance de charge (25) et le pont de diodes (26). 3.Circuit de traction selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la connexion au système caténaire/pantographe (1) a lieu par l'intermédiaire d'une bobine d'entrée principale (4) et d'un condensateur d'entrée principal (5) d'un filtre de réseau à haute tension, un commutateur de traction (29) étant prévu entre le filtre de réseau à haute tension et le premier système convertisseur de courant élémentaire (6.1). 4.Circuit de traction selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de démarrage (23) comporte une batterie (31) avec régu- lateur (32). 5.Circuit de traction selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de démarrage (23) comporte un transformateur de réseau (34) avec redresseur (35) et résistance de charge (36).