Brevet FR2926259A1 — publié le 20090717

Procédé et dispositif de connexion d'un transformateur de véhicule ferro-viaire à une caténaire. La présente invention concerne un procédé et un dispositif de connexion d'un transformateur de véhicule ferroviaire à une caténaire monophasée d'alimentation, et plus particulièrement de tels procédé et dispositif dans lesquels on ferme un disjoncteur placé en série avec l'enroulement primaire du transformateur. Les véhicules ferroviaires électriques comportent de façon connue un transformateur d'alimentation susceptible d'être relié à une caténaire monophasée par l'intermédiaire d'un disjoncteur. Sur la plupart de ces véhicules, l'enclenchement du disjoncteur sur le transformateur provoque un courant d'appel, maximal si l'enclenchement a lieu au passage à 0 de la tension, dû à la composante apériodique transitoire et à la saturation du circuit magnétique du transformateur. L'enclenchement du disjoncteur a lieu à chaque mise sous tension du véhicule, à chaque transition de tension, et à chaque sectionnement de tension caténaire (fréquents sur caténaire 50 ou 60Hz pour équilibrer la puissance sur le réseau public triphasé). Une solution de "pré-charge" du transformateur par insertion d'une résistance en série au primaire du transformateur existe, mais cela impose d'avoir un contacteur et une résistance supportant de hautes tensions, ou d'avoir des dispositifs de protection s'ils sont du côté masse du transformateur. Il existe également des dispositifs permettant de maintenir la tension d'alimentation des convertis- seurs de la chaîne de traction à partir d'une énergie prélevée sur la batterie d'un véhicule ferroviaire, ou sur l'énergie cinétique du véhicule via les moteurs de traction, ou sur un organe de stockage d'énergie tel qu'une batterie d'autonomie, un volant d'inertie ou des capacités. On a également proposé de résoudre les problèmes liés à la connexion du transformateur d'un véhicule à traction électrique à un réseau d'alimentation alter-natif dans le document US2002/0014383. Ce document décrit une séquence de commande du pantographe et du disjoncteur qui doit provoquer l'amorçage d'un arc électrique entre pantographe et caténaire lorsque la tension est maximale pour enclencher au maximum de tension. L'inconvénient de cette méthode est le temps de mise en oeuvre, puisqu'il faut attendre de détecter une tension, puis baisser le pantographe, fermer le disjoncteur et remonter le pantographe. II en résulte un temps perdu considérable sans fonctionnement possible si ces opérations doivent être réalisées à chaque raté de captation (par exemple en cas de givre sur la caténaire). Le document JP8230523 décrit un système de passage de section de sé- paration pour véhicule ferroviaire. Le but est de maintenir le système sous tension et d'éviter le courant d'enclenchement. A cet effet, la section de séparation est alimentée par un convertisseur dont la tension de sortie est réglée pour adapter progressivement de l'une à l'autre les tensions existant de chaque côté de la section, lors du passage du train. Les moyens mis en oeuvre pour résoudre les pro- blêmes sont donc situés du côté des installations fixes, ce qui a pour effet de ren- dre "invisible" pour le train le changement de phase de la tension caténaire. Le document JP6090522 décrit également un dispositif pour réduire le courant d'appel d'un transformateur à la fermeture du disjoncteur dans un système triphasé. La fonction de prémagnétisation du transformateur utilise un convertis- seur triphasé dont la tension de sortie, appliquée au secondaire d'un transformateur triphasé, est réglable en amplitude, fréquence et phase pour réduire le courant d'enclenchement du transformateur. Dans ce document, on réalise une rampe de tension à l'aide du convertisseur. Toutefois, le dispositif et le procédé du document JP6090522 sont limités à une alimentation triphasée, et ne sont donc pas adaptables à bord d'un véhicule ferroviaire. De plus, on induit un délai avant de fermer le disjoncteur. La présente invention vise à pallier à ces inconvénients. Plus particulièrement, l'invention a pour but de fournir des moyens permet-tant de sensiblement annuler le surcourant d'appel (inrush current) fors de la fer- meture du disjoncteur sur un (ou plusieurs) transformateur(s). A cet effet, l'invention a tout d'abord pour objet un procédé de connexion d'un transformateur de véhicule ferroviaire à une caténaire monophasée d'alimen- tation, dans lequel on ferme un disjoncteur placé en série avec l'enroulement pri- maire du transformateur, procédé comprenant les étapes consistant à - mesurer l'amplitude et la phase de la tension sur la caténaire ; générer une tension alternative dans un enroulement secondaire du transformateur de manière à produire dans l'enroulement primaire dudit transformateur une tension alternative d'amplitude et de phase égales respectivement à l'amplitude et à la phase de la tension sur la caténaire ; et fermer le disjoncteur lorsque la tension ainsi produite dans l'enroulement primaire dudit transformateur est égale en phase et en amplitude à la tension sur la caténaire. Le démarrage est donc ici direct à un instant synchronisé sur la tension de la caténaire afin d'obtenir instantanément le courant de régime permanent. Dans un mode de mise en oeuvre particulier, les mesures d'amplitude et de phase sont effectuées sur la fréquence fondamentale des tensions. Egalement dans un mode de mise en oeuvre particulier, ladite tension alter-native dans l'enroulement secondaire est générée à l'aide d'un convertisseur embarqué à bord du véhicule. Deux modes de mise en oeuvre sont alors possibles pour l'invention, l'ordre de fermeture du disjoncteur étant envoyé soit avant, soit après la mise en fonc- tionnement du convertisseur, selon la charge du condensateur On observera que l'on distingue "la mise en fonctionnement du convertisseur", qui correspond à la génération d'une tension dans le primaire du transformateur, de la "mise sous tension" du convertisseur. Le convertisseur est sous tension lorsque le condensateur de filtrage est chargé à une tension au moins égale à la valeur crête de la tension caténaire vue à travers le transformateur. Lorsque le condensateur n'est pas suffisamment chargé, il faut d'abord mettre sous tension le convertisseur et retarder la fermeture du disjoncteur jusqu'à l'obtention de cette condition, Le condensateur est généralement suffisamment chargé en cas de pas- sage d'une section neutre ou de défaut de captation alors que le véhicule est mar- che ; il est au contraire déchargé lorsque le véhicule à l'arrêt depuis un certain temps. En outre, il est généralement possible de donner l'ordre de fermeture du disjoncteur avant la mise en fonctionnement du convertisseur car le disjoncteur a un temps de fermeture beaucoup plus important que le temps de mise en fonctionnement du convertisseur. Dans le cas où le disjoncteur a un temps de fermeture plus court, l'ordre de fermeture du disjoncteur est donné après la mise en fonctionnement du convertisseur. En d'autres termes, on peut donc donner l'ordre de fermeture du disjoncteur avant la mise en fonctionnement du convertisseur, mais toujours après la mise sous tension de celui-ci. Dans l'invention, on met à profit la possibilité de commander instantané- ment la mise en fonctionnement d'un convertisseur pour le mettre en fonctionne-ment de façon synchronisée avec le fondamental de la tension d'alimentation de la ligne caténaire, la mise en fonctionnement étant réalisée lorsque la tension du fondamental de la tension caténaire est maximale. Le procédé selon l'invention présente les avantages suivants : déclenchement de la fermeture du disjoncteur qui a un temps de fermeture long (typiquement entre 40ms et 60ms, supérieur au délai de mise en fonctionnement du convertisseur, qui est inférieur à 5ms) ; mise en fonctionnement du convertisseur effectuée au passage à une valeur crête de la tension caténaire (ou 90° après un passage à 0) ; dans ce cas, le transformateur est sans régime transitoire et on reproduit une tension au primaire du transformateur qui est synchronisée et égale à la tension caténaire, le disjoncteur se ferme une fois que le transformateur est magnétisé. Le disjoncteur peut se fermer n'importe quand à partir de la mise en fonc-tionnement du convertisseur, il n'y aura pas de régime transitoire, car on respecte les conditions du fonctionnement permanent ; - le temps d'exécution est rapide (inférieur à une demi période du fonda-mental) ; en variante, pour éviter d'attendre la condition de synchronisation qui ne se produit qu'à chaque demi-période, il est possible d'appliquer instantanément une séquence de tension permettant d'atteindre le courant de régime permanent en moins de '/4 de période ; à partir de cet instant, la tension appliquée est celle décrite ci-dessus ; cela présente un intérêt pour les caténaires à fréquence basse (16,7Hz) et pour les disjoncteurs les plus rapides ; - comme ce procédé permet de fermer le disjoncteur sans courant d'appel et en réduisant les amorçages multiples lorsque l'ampoule de disjonc- teur se ferme, on améliore la durée de vie des contacts du disjoncteur et on réduit les perturbations générées par les amorçages à la fermeture ; la réduction du courant d'appel n'entraîne aucun retard supplémentaire à la fermeture du disjoncteur. Il y a donc moins de perturbations de l'alimentation caténaire et des systèmes de signalisation utilisant le cou- rant continu ou les harmoniques pairs ; le dimensionnement du transformateur peut être optimisé puisque l'on ne dimensionne pas le transformateur pour résister à des courants d'appel importants (possibilité de gagner de la masse) ; et possibilité de démarrer l'ensemble des convertisseurs du train dès la fermeture du disjoncteur, alors qu'actuellement on attend parfois plu-sieurs secondes que le régime transitoire soit calmé. On réduit donc la durée des pertes de traction ou d'alimentation auxiliaire. Le convertisseur embarqué peut être alimenté à partir de moyens de stoc- kage d'énergie électrique embarqués à bord du véhicule ou à partir de l'énergie cinétique du véhicule. L'invention a également pour objet un dispositif pour la connexion d'un transformateur de véhicule ferroviaire à une caténaire monophasée d'alimentation, comprenant un disjoncteur en série avec l'enroulement primaire du transformateur, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour mesurer l'amplitude et la phase de la tension sur la caténaire ; - au moins un enroulement secondaire du transformateur ; -un générateur de tension alternative monophasée dont la sortie est connectée audit enroulement secondaire ; et des moyens pour amener ledit générateur à fournir aux bornes dudit en-roulement secondaire une tension telle que, lorsque le disjoncteur est ouvert, la tension aux bornes de l'enroulement primaire du transformateur est égale en phase et en amplitude à la tension sur la caténaire. Dans un mode de réalisation particulier, le générateur est un convertisseur embarqué à bord du véhicule ferroviaire. Plus particulièrement, le dispositif peut comprendre en outre des moyens de stockage d'énergie électrique embarqués à bord du véhicule ferroviaire pour l'alimentation dudit convertisseur. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comprend en outre des moyens de transformation de l'énergie cinétique du véhicule en énergie électrique, embarqués à bord du véhicule ferroviaire, pour l'alimentation dudit convertisseur. Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif comprend plusieurs convertisseurs connectés à une pluralité d'enroulements secondaires du transformateur, les fréquences de découpage desdits convertisseurs étant entrelacées pour éliminer certaines fréquences harmoniques et obtenir une meilleure forme d'onde au primaire du transformateur. L'invention a également pour objet un véhicule ferroviaire, caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif tel que décrit ci-dessus. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisa- tion particulier de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels la figure unique est un schéma électrique d'un dispositif selon l'invention. On voit sur la figure une caténaire 1 en contact avec le pantographe 2 d'un véhicule ferroviaire à traction électrique. L'alimentation électrique du véhicule est réalisée par l'intermédiaire d'un transformateur d'alimentation 3 dont l'enroulement primaire 4 est connecté entre le pantographe 2 et la terre. Un disjoncteur 5 est placé en série entre le pantographe 2 et l'enroulement primaire 4. Le transformateur 3 comporte plusieurs enroulements secondaires 6a, 6b, 6c, 6d... destinés à alimenter les différents organes électriques du véhicule. On a représenté à titre d'exemple un convertisseur de traction 7, un convertisseur auxiliaire 8 et un chargeur de condensateur 9 relié à une batterie 10 ou à un autre dis-positif de stockage d'énergie. L'un des enroulements secondaires, ici l'enroulement 6a, est utilisé pour alimenter un convertisseur autonome, ou à commutation forcé, par exemple un convertisseur à IGBT 11. Le convertisseur 11 est utilisé selon l'invention dans le cadre du processus de fermeture du disjoncteur 5 mais peut avoir d'autres fonctions en utilisation normale. Un condensateur de filtrage 12 est disposé en aval du convertisseur 11 et un circuit 13 de mesure de la tension continue est connecté à ses bornes. La sortie du circuit 13 est fournie en entrée du circuit 14 de commande du convertisseur 11. La sortie d'un circuit 15 de mesure de la tension en amplitude et en phase sur la caténaire 1 est également fournie en entrée du circuit de commande 14. Ainsi, le circuit 14 peut commander l'allumage des IGBT du convertisseur 11 de manière à amener la tension aux bornes de l'enroulement secondaire 6a en phase avec la tension sur la caténaire 1, et d'une amplitude égale à cette tension sur la caténaire multiplié par le rapport de transformation des enroulements 6a et 4. Lorsque l'on souhaite fermer le disjoncteur 5 pour mettre le transformateur 3 en service, on commence par charger le condensateur 12 à partir de la batterie 10 par l'intermédiaire du circuit 9. L'interrupteur 16 de l'enroulement secondaire 6a est alors fermé et le circuit 14 commande le convertisseur 11 de manière que la tension de sortie de ce dernier soit amenée à égalité, en phase et en amplitude, à la tension caténaire, dans le rapport de transformation des enroulements 6a et 4. Lorsque cette égalité est assurée, la tension aux bornes de l'enroulement primaire 4 du transformateur 3 est égale en phase et en amplitude à la tension caténaire et le circuit 17 provoque la fermeture du disjoncteur 5 et la mise hors service du cir- cuit 14 de commande du convertisseur. REVENDICATIONS 1. Procédé de connexion d'un transformateur (3) de véhicule ferroviaire à une caténaire (1) monophasée d'alimentation, dans lequel on ferme un disjoncteur (5) placé en série avec l'enroulement primaire (4) du transformateur, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à mesurer l'amplitude et la phase de la tension sur la caténaire ; générer une tension alternative dans un enroulement secondaire (6a) du transformateur de manière à produire dans l'enroulement primaire dudit transformateur une tension alternative d'amplitude et de phase égales respectivement à l'amplitude et à la phase de la tension sur la caténaire ; fermer le disjoncteur lorsque la tension ainsi produite dans l'enroule-ment primaire dudit transformateur est égale en phase et en amplitude à la tension sur la caténaire. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les mesures d'amplitude 15 et de phase sont effectuées sur la fréquence fondamentale des tensions. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel ladite tension alternative dans l'enroulement secondaire est générée à l'aide d'un convertisseur (11) embarqué à bord du véhicule. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel, lorsque le condensa- 20 teur de filtrage du convertisseur est chargé à une valeur inférieure à la valeur crête de la tension caténaire vue à travers le transformateur, le convertisseur est mis sous tension préalablement à l'ordre de fermeture du disjoncteur. 5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'ordre de fermeture du disjoncteur est donné avant la mise en fonctionnement du convertisseur lorsque le 25 disjoncteur a un temps de fermeture plus important que le temps de mise en fonc- tionnement du convertisseur. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel ledit convertisseur embarqué est alimenté à partir de moyens de stockage d'énergie électrique (10) embarqués à bord du véhicule. 30 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel ledit convertisseur embarqué est alimenté à partir de l'énergie cinétique du véhicule. 10 8. Dispositif pour la connexion d'un transformateur (3) de véhicule ferroviaire à une caténaire (1) monophasée d'alimentation, comprenant un disjoncteur (5) en série avec l'enroulement primaire (4) du transformateur, caractérisé par le fait qu'il comprend : des moyens (15) pour mesurer l'amplitude et la phase de la tension sur la caténaire ; au moins un enroulement secondaire (6a) du transformateur ; un générateur (11) de tension alternative monophasée dont la sortie est connectée audit enroulement secondaire ; et des moyens (14) pour amener ledit générateur à fournir aux bornes dudit enroulement secondaire une tension telle que, lorsque le disjoncteur est ouvert, la tension aux bornes de l'enroulement primaire du transformateur est égale en phase et en amplitude à la tension sur la caténaire. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le générateur est un convertisseur embarqué à bord du véhicule ferroviaire. 10. Dispositif selon la revendication 9, comprenant en outre des moyens (10) de stockage d'énergie électrique embarqués à bord du véhicule ferroviaire pour l'alimentation dudit convertisseur. 11. Dispositif selon la revendication 9, comprenant en outre des moyens de transformation de l'énergie cinétique du véhicule en énergie électrique, embarqués à bord du véhicule ferroviaire, pour l'alimentation dudit convertisseur. 12. Dispositif selon la revendication 9, comprenant plusieurs convertisseurs connectés aux différents secondaires du transformateur, les fréquences de découpage desdits convertisseurs étant entrelacées pour éliminer certaines fréquences harmoniques et obtenir une meilleure forme d'onde au primaire du transformateur. 13. Véhicule ferroviaire, caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 12.