Brevet FR2902710A1 — publié le 20071228

PERFECTIONNEMENT A UN SYSTEME D'ALIMENTATION EN ENERGIE ELECTRIQUE A TRES BASSE TENSION POUR VEHICULE A TRACTION ELECTRIQUE A STOCKAGE D'ENERGIE EMBARQUE L'invention concerne un perfectionnement à un système d'alimentation en énergie électrique à très basse tension pour véhicule à traction électrique à stockage d'énergie embarqué. Au rythme actuel, dans les années à venir il y aura plus de 800 métropoles de plus d'un million d'habitants dans le monde qui devront faire face aux engorgements de la circulation en développant leurs transports en commun pour assurer la desserte des populations en intégrant les enjeux du développement durable et de préservation de l'environnement. Dans ce contexte, les métros lourds ou légers figurent en bonne place pour assurer les dessertes des populations. Les véhicules électriques à rames, tels que les métros ou les tramways nécessitent des infrastructures électriques de forte puissance pour assurer l'alimentation desdits véhicules. Traditionnellement leur infrastructure électrique comprend un poste de transformation qui transforme la haute tension ou la moyenne tension prise sur le réseau domestique électrique général en une basse tension de quelques centaines de volts. Cette dernière passe dans un poste de redressement qui transforme ladite basse tension alternative en une tension continue pour l'alimentation des véhicules à rames. Typiquement cette tension est de 600 volts continu pour les métros américains et japonais et de 750 volts continu pour les métros et tramways européens. Les postes de transformation sont d'une puissance de l'ordre du méga Watt et sont espacés en général de 2 à 3 kilomètres. Ces postes de transformation sont encombrants, coûteux et nécessitent de substantiels travaux de génie civil. Il serait donc intéressant de pouvoir les supprimer d'autant plus qu'ils sont toujours relativement délicats à intégrer en raison du manque de place dans les gares notamment. Par ailleurs dans l'exploitation des lignes de métros, on note des dysfonctionnements de plus en plus nombreux en raison notamment de la présence de plus en plus fréquente de personnes non autorisées sur les voies qui amènent les exploitants à devoir installer des portes palières sur les quais. En effet, si une personne non autorisée est repérée sur une voie, une procédure de sécurité est enclenchée. Celle-ci prévoit notamment la coupure de l'alimentation électrique sur le tronçon concerné, c'est-à-dire sur environ 2 à 3 kilomètres de ligne, ce qui perturbe sensiblement l'exploitation de la ligne. Il serait donc intéressant de réduire la portion de tronçon à une portion équivalente à une inter-station voire une demi inter-station pour limiter au maximum la longueur de ligne concernée par la perturbation ce qui n'est pas possible avec le système actuel. Par ailleurs, il serait intéressant de permettre de continuer l'exploitation de la ligne en mode dégradé (à petite vitesse) ce qui minimiserait l'impact sur l'exploitation. On rappelle ci-après le cadre de la dénomination des tensions utilisées : On entend par très basse tension, une tension de quelques dizaines de volts, On entend par basse tension, une tension de quelques centaines de volts, On entend par moyenne tension, une tension de quelques milliers de volts, On entend par haute tension, une tension de quelques dizaines de milliers de volts. Le but de la présente invention est de simplifier sensiblement l'infrastructure d'alimentation électrique des véhicules électriques à rames tels que les métros, notamment en y supprimant les postes de transformation des niveaux de tensions électriques permettant ainsi de limiter les encombrements et de réduire les coûts de telles infrastructures. La présente invention vise aussi à porter la longueur des tronçons d'alimentation de quelques kilomètres à quelques centaines de mètres (environ une demi distance inter-station) pour réduire sensiblement, en cas d'incident les contraintes sur l'exploitation. On connaît en outre par la demande de brevet WO 2005/082666 un système d'alimentation en énergie électrique à très basse tension pour au moins un véhicule à traction électrique circulant sur une voie et comprenant : - des roues reliées au dit véhicule et roulant sur ladite voie, et - au moins une chaîne de traction dudit véhicule agissant sur les roues et comprenant de façon connue en soi au moins un moteur électrique et sa commande, - au moins un moyen d'alimentation électrique à très basse tension installé à proximité immédiate de la voie, - deux rails d'alimentation électrique ou éléments d'alimentation électrique analogues, parallèles entre eux, contigus ou distants, dont un premier est relié à une borne dudit moyen d'alimentation électrique et le deuxième est relié à une autre borne dudit moyen d'alimentation électrique, - au moins un premier moyen collecteur d'énergie électrique embarqué dans le véhicule et placé en contact mobile avec ledit premier rail, - au moins un second moyen collecteur d'énergie électrique également embarqué dans le véhicule et placé en contact mobile avec ledit second rail, - au moins un moyen de stockage d'énergie électrique embarqué dans le véhicule, le système comportant en outre au moins un moyen d'alimentation électrique embarqué qui est relié aux dits moyens collecteurs d'énergie électrique, et qui est connecté d'une part audit moyen de stockage et d'autre part à ladite chaîne de traction, et qui pilote la distribution d'énergie du moyen de stockage à la chaîne de traction et notamment la recharge du moyen de stockage et sa décharge sélective pour alimenter la chaîne de traction en fonction de la demande d'énergie et des séquences de roulement du véhicule. Dans un tel système, ledit moyen d'alimentation électrique à très basse tension alimente ledit moyen d'alimentation électrique embarqué, celui-ci alimentant à son tour ledit moyen de stockage afin qu'il emmagasine de l'énergie électrique, jusqu'à concurrence de sa capacité, dans les phases successives suivantes : a- pendant la phase de course sur l'erre sur du plat où la puissance demandée par la chaîne de traction est modeste voire nulle, b- pendant la phase de freinage où il y en outre une récupération d'énergie électrique à partir de la chaîne de traction, c- et pendant la phase d'arrêt où la puissance demandée par la chaîne de traction est nulle, Ledit moyen d'alimentation électrique embarqué utilisant en plus de l'énergie prélevée sur le moyen d'alimentation à très basse tension l'énergie électrique qui a été emmagasinée lors desdites phases (a,b,c) dans ledit moyen de stockage pour alimenter la chaîne de traction pendant la phase de démarrage ou lors d'une pente à monter où la puissance demandée par la chaîne de traction est relativement importante, ou dans une erre hors alimentation très basse tension, et l'énergie du moyen d'alimentation très basse tension, dans les autres phases de déplacement. L'invention vise un perfectionnement relatif plus particulièrement audit moyen d'alimentation du système d'alimentation de cette demande. La présente invention vise aussi à simplifier sensiblement la réalisation du moyen d'alimentation embarqué de la demande de brevet WO 2005/082666 précitée et à améliorer le rendement énergétique du système. Il est en effet proposé selon l'invention, un système d'alimentation électrique d'au moins un véhicule électrique et notamment un véhicule à rame électrique circulant sur une voie et comprenant : - des roues reliées au dit véhicule et roulant sur ladite voie, et - au moins une chaîne de traction dudit véhicule agissant sur les roues et comprenant de façon connue en soi au moins un moteur électrique et sa commande, - au moins un moyen d'alimentation électrique, - deux rails d'alimentation électrique ou éléments d'alimentation électrique analogues, parallèles entre eux, contigus ou distants, dont un premier est relié à une borne dudit moyen d'alimentation électrique et le deuxième est relié à une autre borne dudit moyen d'alimentation électrique, - au moins un premier moyen collecteur d'énergie électrique embarqué dans le véhicule et placé en contact mobile avec ledit premier rail, - au moins un second moyen collecteur d'énergie électrique également embarqué dans le véhicule et placé en contact mobile avec ledit second rail, - au moins un moyen de stockage d'énergie électrique embarqué dans le véhicule, le système comportant en outre au moins un moyen d'alimentation électrique embarqué qui est relié aux dits moyens collecteurs d'énergie électrique, et qui est connecté d'une part audit moyen de stockage et d'autre part à ladite chaîne de traction, et qui pilote la distribution d'énergie du moyen de stockage à la chaîne de traction et notamment la recharge du moyen de stockage et sa décharge sélective pour alimenter la chaîne de traction en fonction de la demande d'énergie et des séquences de roulement du véhicule, le système d'alimentation étant caractérisé en ce que ledit moyen d'alimentation électrique comporte un réseau électrique attenant et ne comporte pas de moyen de transformation du niveau de la tension électrique. Le système d'alimentation comporte des sections de la voie relativement courtes, comprenant par exemple de simples sectionneurs ou commutateurs électriques en position sur lesdites sections de la voie, en vue d'isoler lesdites sections l'une de l'autre. Il résulte de cette disposition que ledit réseau électrique base tension attenant peut être constitué par le réseau électrique domestique attenant monophasé 240 volts ou triphasé 400 volts, le courant alternatif prélevé pouvant être redressé en aval au sein du moyen d'alimentation électrique embarqué, et le traitement au sein de ce dernier ne nécessite pas de moyen de transformation du niveau de la tension, laquelle peut être celle du réseau, par exemple sensiblement à 240 volts ou 400 volts, ce qui permet d'éliminer les équipements de transformateurs qui sont les plus encombrants et les plus lourds, dans le traitement du courant. Ainsi, relativement au système d'alimentation à très basse tension selon la demande précitée, l'utilisation d'une basse ou moyenne tension d'un réseau électrique attenant permet de réduire notablement l'équipement du système, tant au niveau du moyen d'alimentation électrique (pas de poste transformateur en très basse tension) que du moyen d'alimentation électrique embarqué, ou le convertisseur de tête peut être simplifié voir supprimé et remplacé par un simple pont redresseur. Le système de l'invention tire ainsi parti du maillage important du réseau domestique qui existe en zone urbaine pour alimenter directement les rames sans l'utilisation de postes de transformation des tensions, postes encombrants et coûteux. Un poste de transformation conventionnel d'une puissance de 1 MW qui délivre 750 volts est avantageusement remplacé par une prise directe sur le réseau domestique de 250 KW délivrant 400 volts et peut néanmoins alimenter des métros lourds ou légers grâce à l'association avec le système décrit dans la demande de brevet WO 2005/082666. De plus, relativement au courant continu du moyen d'alimentation tel que prélevé dans le moyen d'alimentation électrique du système d'alimentation de la demande de brevet précitée, l'utilisation d'un courant alternatif permet de sectionner beaucoup plus facilement des tronçons d'alimentation de la voie sans avoir à maîtriser par des équipements les coupures du courant continu, génératrices d'arc électrique, et donc de constituer des tronçons d'alimentation de plus petite longueur (par exemple d'une demi station pour un véhicule à rame) relativement à des tronçons pourvus de postes de redressement traditionnels en courant continu, rapportés, lourds et nécessairement espacés l'un de l'autre de plusieurs stations. Selon l'invention, on utilise de simples sectionneurs de commutation sur le réseau. Ladite isolation en tronçons de la voie permet de façon avantageuse de sectionner un tronçon, par exemple sur une demi station, en cas d'anomalie sur ce tronçon (ou accident), et de maintenir l'exploitation sur le reste de la voie. Ceci augmente le rendement de l'exploitation de la voie et rend plus souple la remise en tension du tronçon sectionné après rétablissement de ladite anomalie. En outre, il faut souligner que le système selon l'invention permet une meilleure récupération d'énergie, de 40 à 60% pour toutes les conditions de fonctionnement au lieu de 25% à 30% environ, selon heures creuses et heures de pointe, pour les métros conventionnels, ce qui réduit d'autant l'élévation de température par effet joule dans la station et permet des économies d'énergie supplémentaires. De plus, avec le prélèvement d'un courant alternatif basse ou moyenne tension, le moyen d'alimentation électrique embarqué comporte à la différence du système selon la demande précitée un premier convertisseur de tension électrique du type alternatif/continu permettant de redresser la basse tension alternative du courant prélevé par les collecteurs à une tension de traitement continue, au niveau d'un bus d'alimentation commun et les autres équipements peuvent demeurer identiques ou similaires. Le courant du réseau électrique attenant peut également alimenter les rails d'alimentation du véhicule électrique sous forme continue en basse ou moyenne tension, étant alors redressé par des équipements de redressement légers (sans transformation du niveau de la tension) connectés aux dites sections de la voie. Dans ce cas, les sectionneurs sont disposés en amont des dits postes de redressement pour permettre un sectionnement en courant alternatif. Dans le cas d'une alimentation à 400 volts continu (pris sur le réseau général puis redressé) : la commutation des segments ou tronçons peut se faire en coupant tout d'abord les 400 volts alternatif du réseau domestique puis en commutant les tronçons de voie à piloter avant de réenclencher le 400 volts alternatif. Dans ce cas également, le premier convertisseur de tension électrique du moyen d'alimentation électrique embarqué est de type courant continu/courant continu ou peut être éliminé ou encore remplacé avantageusement par un pont redresseur. L'invention est illustrée ciaprès à l'aide d'exemples de réalisation et en référence aux dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 est un schéma illustrant un moyen d'alimentation électrique du système d'alimentation électrique selon l'invention, constitué par un réseau électrique domestique à courant alternatif monophasé 240 volts, - La figure 2 est un schéma illustrant un moyen d'alimentation électrique du système d'alimentation électrique selon l'invention, constitué par un réseau électrique domestique à courant triphasé 400 volts, et, - La figure 3 représente un schéma du circuit électrique du moyen d'alimentation électrique embarqué du système d'alimentation électrique selon l'invention, pour l'utilisation du réseau électrique selon la figure 1. 30 35 La présente invention se rapporte à un perfectionnement de la demande de brevet WO 2005/082666, quant aux moyens d'alimentation électrique et aux moyens d'alimentation embarqués du système d'alimentation électrique décrit. On se reportera à cette demande de brevet pour comprendre l'invention et les éléments communs ou similaires sont désignés par les mêmes références numériques accompagnés de l'indice ` et ne seront pas décrits. Dans la figure 1 on a décrit une variante du système d'alimentation adaptée à un véhicule électrique à rame, selon laquelle l'un des rails d'alimentation, le rail de masse, est électriquement confondu avec au moins un des rails de roulement ou de guidage tandis que l'autre rail d'alimentation 41' est électriquement distinct des rails de roulement. Cette configuration est dite à trois rails. Les rails de roulement ou le rail de guidage occupent la partie centrale de la voie de roulement 20' du véhicule électrique à rame et le rail d'alimentation 41' est disposé sur le côté de la voie, le long du véhicule. L'alimentation du véhicule, plus précisément du moyen d'alimentation électrique embarqué 80' est réalisée par un collecteur (non représenté) frottant contre ledit rail d'alimentation 41'. On a représenté à la figure 1 le seuil de la station N de montée descente des passages portant le drapeau station N, et le seuil de la station successive suivante N + 1 de montée descente des passagers portant le drapeau N + 1. On voit que le rail d'alimentation 41' comporte entre lesdites stations N et N + 1 plusieurs tronçons égaux 41'a 41'c indépendants, respectivement quatre tronçons égaux correspondant sensiblement au quart de la distance entre lesdits deux seuils de station, et deux petits tronçons 4l 'b en regard de chacun des seuils de ces stations. Ces tronçons 41'a, 41'b et 41'c sont raccordés au réseau électrique domestique monophasé 240 volts 15, chacun au moyen d'un sectionneur ou commutateur 10'b qu'on peut fermer pour alimenter le tronçon de rail correspondant ou ouvrir en cas d'anomalie ou accident sur ledit tronçon de rail afin d'interrompre l'alimentation du véhicule sur ce tronçon. Cette disposition de la voie à tronçons découpés permet de tirer partie du maillage électrique serré qui existe en milieu urbain. Cette disposition permet aussi d'isoler un tronçon plus court comportant une anomalie de fonctionnement. Un fusible de surintensité 10'c peut être disposé en amont des dits sectionneurs 10'b. Le rail d'alimentation 41' du véhicule est donc alimenté en courant monophasé 240 volts alternatif et non plus en courant continu très basse tension comme dans le système décrit dans la demande de brevet précité. Ce rail d'alimentation 41' alimente le moyen d'alimentation embarqué 80' du véhicule en utilisant dans son circuit électrique (figure 3) les mêmes composants que dans le circuit du système de la demande précitée, à l'exception du premier convertisseur 81' qui est à présent un convertisseur à courant alternatif d'entrée 240 volts/courant continu de sortie. Le courant de sortie peut être à la même tension ou à 400 volts réalisé dans une élévation de tension dans un rapport faible et donc avec une réalisation simplifiée. Il est à noter que les sectionneurs 10'b des tronçons peuvent être pilotés de façon automatique à distance sans problème de coupure du courant, en raison, de l'utilisation du courant alternatif. La figure 2 illustre le moyen d'alimentation électrique 10' du système d'alimentation électrique de l'invention selon une variante de réalisation par laquelle le réseau électrique monophasé 240 volts alternatif est remplacé par un réseau électrique domestique triphasé 400 volts alternatif 16. Ce moyen 10'a' est raccordé au rail d'alimentation électrique 41' tout d'abord par une section à fusibles de surintensité 10'd dont chacun protège une des lignes de phase du réseau, et successivement par une section commutateurs ou sectionneurs 10'f permettant d'ouvrir ou fermer chacune desdites lignes de phases 10'e, un redresseur 10'g du courant triphasé 400 volts alternatif, et une section commutateurs ou sectionneurs 10'b des tronçons 41'a, 41'b, 41'c du rail d'alimentation 41', permettant comme précédemment de transmettre ou couper le courant à des tronçons du rail d'alimentation. Le rail d'alimentation 41' est à présent alimenté en courant continu à 400 volts et le premier convertisseur 81' du circuit du moyen d'alimentation embarqué 80' peut être supprimé ou remplacé par un simple commutateur ou un pont redresseur d'isolation électrique du véhicule. Ce qui précède montre les avantages du perfectionnement selon l'invention permettant sur un véhicule à rame traditionnel de supprimer les très gros postes redresseurs, généralement disposés tous les 2 à 3 kilomètres l'un de l'autre servant à alimenter le troisième rail en 750 volts continu, et relativement au système d'alimentation en très basse tension décrit précédemment, de supprimer notamment l'infrastructure du moyen d'alimentation en très basse tension et parallèlement d'alléger le circuit du moyen d'alimentation embarqué du véhicule. En outre l'exploitation du véhicule par des tronçons de rail d'alimentation courts est d'une meilleure efficacité. Enfin le système d'alimentation selon l'invention peut être couplé avec le système d'alimentation en très basse tension, sur des tronçons, où la sécurité électrique des personnes est absolument requise, ou en mode dégradé, par exemple pour le fonctionnement du véhicule électrique, même en cas d'anomalie sur un tronçon, sans risque pour les personnes. Le couplage est réalisé par commutation du moyen d'alimentation basse tension sur le moyen d'alimentation très basse tension et par la commutation du premier convertisseur du moyen d'alimentation embarqué utilisé en basse tension à celui du moyen d'alimentation embarqué utilisé en très basse tension20 REVENDICATIONS 1) système d'alimentation électrique d'au moins un véhicule électrique et notamment un véhicule à rame électrique circulant sur une voie (20') et comprenant : - des roues reliées au dit véhicule et roulant sur ladite voie (201, et - au moins une chaîne de traction (70') dudit véhicule agissant sur les roues et comprenant de façon connue en soi au moins un moteur électrique et sa commande, - au moins un moyen d'alimentation électrique (10'a,10'a'), - deux rails d'alimentation électrique ou éléments d'alimentation électrique analogues (41',42'), parallèles entre eux, contigus ou distants, dont un premier est relié à une borne dudit moyen d'alimentation électrique (10'a,10'a') et le deuxième est relié à une autre borne dudit moyen d'alimentation électrique (10'a,10'a'), - au moins un premier moyen collecteur d'énergie électrique (51') embarqué dans le véhicule et placé en contact mobile avec ledit premier rail (41'), au moins un second moyen collecteur d'énergie électrique (52') également embarqué dans le véhicule et placé en contact mobile avec ledit second rail (421, - au moins un moyen de stockage d'énergie électrique embarqué (60') dans le véhicule. Le système comportant en outre au moins un moyen d'alimentation électrique embarqué (80') qui est relié aux dits moyens collecteurs d'énergie électrique, et qui est connecté d'une part audit moyen de stockage (60') et d'autre part à ladite chaîne de traction (701, et qui pilote la distribution d'énergie du moyen de stockage (60') à la chaîne de traction (70') et notamment la recharge du moyen de stockage (60') et sa décharge sélective pour alimenter la chaîne de traction (70') en fonction de la demande d'énergie et des séquences de roulement du véhicule, le système d'alimentation étant caractérisé en ce que ledit moyen d'alimentation électrique (10'a,10'a') un réseau électrique domestique attenant, et ne comporte pas de moyen de transformation du niveau de la tension électrique. 2) Système d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des sections de rail d'alimentation (41'a,41'b,41'c) relativement courtes comprenant par exemple de simples sectionneurs ou commutateurs électriques (10'b) en position sur lesdites sections de voie (41'a,41'b,41'c), en vue d'isoler lesdites sections l'une de l'autre. 3) Système d'alimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit moyen d'alimentation électrique (10'a,10a') est raccordé à des tronçons (41'a,41'b,41'c) de rail d'alimentation du véhicule dont la longueur est au plus la demi-distance entre deux stations successives (N,N+1) de desserte des passagers 4) Système d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit réseau électrique basse tension attenant est le réseau électrique domestique triphasé 400 volts alternatif (16). 5) Système d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit moyen d'alimentation électrique (10'a,10'a') comporte un redresseur (10'g) du courant. 6) Système d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit réseau électrique basse tension attenant est le réseau électrique domestique monophasé 240 volts alternatif (15). 7) Système d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit premier convertisseur (81') de tension électrique du moyen d'alimentation embarqué (80') est supprimé et remplacé par un moyen redresseur du courant, par exemple un pont redresseur. 8) Système d'alimentation selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit moyen redresseur du courant comporte un moyen de commutation du courant. 9) Système d'alimentation selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit premier convertisseur (81') de tension électrique du moyen d'alimentation électrique embarqué (80') est de type courant continu/courant continu. 10) Système d'alimentation selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit système d'alimentation embarqué (80') du véhicule comporte un premier convertisseur (81') de tensionélectrique de type courant alternatif/courant continu.