Brevet FR2963761A1 — publié le 20120217

Locomotive diesel-électrique La présente invention concerne une locomotive diesel-électrique du type comportant : - un moteur diesel, - un alternateur accouplé mécaniquement pour son entraînement au moteur diesel et relié en sortie à un bus à courant continu au travers d'un redresseur, - au moins un moteur électrique de traction relié au bus au travers d'un onduleur de traction, - au moins un équipement auxiliaire à alimentation électrique, alimenté depuis le moteur diesel. Le terme locomotive diesel-électrique désigne une locomotive dont la propulsion est assurée par plusieurs moteurs électriques, l'énergie électrique alimentant les moteurs étant fournie par un moteur diesel alimenté en fuel lourd et entraînant un alternateur. Dans de telles locomotives, l'alternateur alimente au travers d'un redresseur un bus de courant continu auquel sont connectés les différents moteurs électriques de traction de la locomotive par l'intermédiaire d'onduleurs. La locomotive comporte par ailleurs des équipements auxiliaires, tels que des ventilateurs de refroidissement ou des compresseurs qui, suivant le cas, sont soit reliés mécaniquement directement à l'arbre du moteur diesel, soit alimentés depuis un alternateur qui leur est propre, cet alternateur étant entraîné par le moteur diesel. Dans les deux cas, la vitesse de fonctionnement des équipements auxiliaires est directement liée à la vitesse de rotation du moteur diesel. En conséquence, afin de permettre un fonctionnement satisfaisant de ces équipements auxiliaires lors des phases de fonctionnement en freinage électrique de la locomotive ou d'arrêt de celle-ci, il est nécessaire de maintenir le moteur diesel à un régime suffisamment élevé. Ceci conduit à une consommation importante de fuel lourd pour l'alimentation de la locomotive. L'invention a pour but de proposer une locomotive diesel-électrique permettant de réduire la consommation en fuel. A cet effet, l'invention a pour objet une locomotive diesel-électrique du type précité, caractérisée en ce qu'elle comporte, pour l'alimentation du ou de chaque équipement auxiliaire, une chaîne de mise en forme du courant reliée en entrée au bus à courant continu. Suivant des modes particuliers de réalisation, la locomotive comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la chaîne de mise en forme du courant comporte un onduleur auxiliaire dont la sortie est connectée à l'entrée d'un transformateur élévateur ; - la locomotive comporte des moyens de commutation de secours propres à relier sélectivement la chaîne de mise en forme du courant à la sortie d'un onduleur de traction et l'onduleur de traction comporte des moyens de pilotage pour assurer une production d'un courant identique à celui produit normalement par l'onduleur auxiliaire ; - les moyens de commutation de secours sont propres à relier l'entrée du transformateur élévateur à la sortie de l'onduleur de traction ; - la locomotive comporte des moyens de commutation propres à assurer la déconnexion de l'onduleur auxiliaire de l'entrée du transformateur élévateur lorsque le transformateur élévateur est relié à l'onduleur de traction au travers des moyens de commutation de secours ; et - la locomotive comporte au moins un hacheur rhéostatique de freinage disposé entre le bus à courant continu et le ou chaque onduleur de traction. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique qui est une vue schématique du circuit électrique d'une locomotive diesel-électrique selon l'invention. La locomotive diesel-électrique 10 schématisée sur la figure comporte comme connu en soi un moteur diesel 12 alimenté par du fuel lourd et des moteurs électriques de traction 14, ici au nombre de six. En outre, la locomotive comporte des équipements auxiliaires tels que par exemple un ventilateur 16 et un compresseur 18. L'arbre de sortie du moteur 12 est relié mécaniquement à un alternateur 20 propre à produire un courant triphasé alimentant un redresseur 22 constitué d'un pont de diodes 22A. Les deux sorties du pont de diodes alimentent, en courant continu, un bus 26 dont la tension varie de 600V à 1800V en fonction de la vitesse de rotation du moteur diesel 12. Un condensateur de lissage 28 avec une résistance 30 de décharge montée en parallèle est prévu entre les deux bornes de sortie du redresseur 22, ainsi qu'un capteur 32 de mesure de la tension aux bornes du bus continu 26. Les moteurs de traction 14 sont chacun alimentés par un onduleur propre de traction 34 à IGBT. Chaque onduleur 34 est constitué de trois branches, chacune constituée de deux interrupteurs monodirectionnels 35 connectés en série. Ces trois branches sont reliées entre les deux entrées continues de l'onduleur. Les trois sorties pour le courant triphasé de l'onduleur sont prises entre les deux interrupteurs monodirectionnels 35 de chaque branche. Chaque interrupteur monodirectionnel est formé comme connu en soi d'un transistor IGBT et d'une diode montée en anti-parallèle. Chaque onduleur 34 est équipé d'une unité de commande 36 propre à commander les interrupteurs monodirectionnels 35 suivant par exemple une loi de modulation à largeur d'impulsions afin d'alimenter le moteur de traction associé 14 afin qu'il fournisse une puissance requise. Pour alléger le dessin, seules certaines unités de commande 36 sont illustrées. Les entrées des onduleurs de traction 34 sont reliées en parallèle par trois au bus continu 26 par l'intermédiaire de deux branches d'alimentation 37 munies de deux interrupteurs de sectionnement 38, chacun monté en série avec une inductance de découplage 40 elle-même montée en parallèle d'une résistance 42. Deux condensateurs 46 sont prévus en entrée des onduleurs de traction 34 d'un même groupe de moteurs. En outre, pour chaque groupe de moteurs, un hacheur rhéostatique 50 propre à assurer un freinage électrique est prévu entre les deux branches 37 du réseau d'alimentation. Comme connu en soi, chaque hacheur 50 comporte, entre les deux branches d'alimentation 37, un ensemble de résistances de décharge 52 monté en parallèle d'une diode 54, et relié en série avec un interrupteur monodirectionnel 56. Cet interrupteur monodirectionnel est constitué d'un transistor IGBT monté en anti-parallèle avec une diode. Le transistor IGBT est relié à un circuit de commandes 60 propre à appliquer une loi de commande permettant de commander l'énergie dissipée dans les résistances 52 lors du freinage de la locomotive, les onduleurs 34 étant alors pilotés depuis les unités 36 pour recevoir de l'énergie électrique des moteurs de traction 14. Un capteur de tension 62 est prévu entre les deux branches d'alimentation 36. Les équipements auxiliaires 16, 18 sont reliés au travers d'une chaîne d'alimentation 80 directement au bus continu 26. Cette chaîne comporte un convertisseur statique 82 constitué d'un onduleur auxiliaire à IGBT identique aux onduleurs de traction 34 comportant comme précédemment un condensateur de charge 84 associé en parallèle à une résistance de décharge 86. Deux interrupteurs de sectionnement 86 relient l'onduleur au bus continu 26 au travers d'une inductance de découplage 88 montée en parallèle avec une résistance 90. Un capteur de tension 92 est prévu à l'entrée de l'onduleur 82. La sortie de l'onduleur 82 est reliée à un transformateur élévateur 98 triphasé au travers d'un contacteur triphasé 100. Le transformateur élévateur 98 a un rapport de transformation supérieur à 1 et notamment compris entre 1 et 3. Le transformateur élévateur 98 alimente en sortie un réseau d'alimentation triphasé 101 de type industriel ayant par exemple une tension efficace de 480 V et une fréquence de 60 Hz. Trois condensateurs d'équilibrage 102 sont disposés entre les phases du bus d'alimentation 101 en sortie du transformateur. Les transistors IGBT de l'onduleur 82 sont pilotés par un circuit de commande 103 propre à assurer une tension égale à 480V et 60Hz sur le réseau triphasé d'alimentation des charges auxiliaires. Le bus d'alimentation 101 est équipé de deux capteurs de tension continue 104, 106 reliés au bus par deux ponts redresseurs à diodes 104A, 106A. Le capteur 104 est relié au circuit de commande 103 et ce dernier assure le pilotage des transistors à partir de la tension mesurée pour assurer une régulation. La présence du transformateur élévateur 98 permet d'atteindre une telle tension, même lorsque le moteur 12 est au ralenti et que la tension sur le bus continu est égale à 600V. Une dérivation 120 assure la connexion entre la sortie d'un onduleur de traction 34 d'alimentation d'un moteur de traction 14 et l'entrée du transformateur élévateur 98. Cette dérivation est équipée d'un contacteur triphasé de secours commandables 122. De même, trois interrupteurs commandables 124 sont prévus entre le moteur de traction 14 considéré et la dérivation 120. Les interrupteurs 100, 122 et 124 sont commandés par une unité de pilotage 126 afin que les interrupteurs 100 et 124 soient dans un même état et que les interrupteurs 100, 124, d'une part, et 122, d'autre part, soient dans des états opposés, de sorte que la sortie de l'onduleur de traction 34 ne soit reliée qu'à l'un du transformateur 98 et du moteur de traction 14 et que les onduleurs 82 et 34 ne se retrouvent jamais sur le même réseau triphasé. L'unité 126 est reliée à l'unité de commande 36 de l'onduleur 34 pour faire que, lorsque la sortie de l'onduleur de traction 34 est reliée au transformateur élévateur 98, l'unité de commande 36 de l'onduleur applique une loi de commande adaptée pour obtenir sur le réseau 101 une tension de 480 V sous une fréquence de 60 Hz. A cet effet, le capteur 106 est relié à l'unité de commande 36 afin que cette dernière assure une régulation de la tension sur le bus 101 en commandant les transistors par une loi de commande adaptée, c'est-à-dire une loi de commande identique à celle du circuit de commande 103, si les onduleurs 34 et 82 sont identiques. Le moteur diesel 12 est relié à une unité de commande 200 assurant son pilotage et notamment le régime du moteur en fonction des besoins en puissance électrique globaux. Ainsi, lorsque la locomotive est à l'arrêt, ou en phase de freinage, l'unité 200 est propre à assurer une alimentation minimale du moteur 12 en fuel pour que celui-ci soit au ralenti. La vitesse de rotation du moteur 12 n'est augmentée par injection de plus de fuel sous la commande de l'unité 200 que lors des phases de traction par les moteurs 14. On comprend que, lors du fonctionnement normal de la locomotive, alors que le moteur diesel 12 est à pleine puissance, l'énergie électrique obtenue en sortie du redresseur 22 est utilisée à la fois pour alimenter les moteurs 14 et les charges auxiliairesl6, 18. Lors des phases d'arrêt ou de roue libre de la locomotive, alors que le moteur 12 est maintenu au ralenti, l'énergie électrique fournie par le moteur 12 est suffisante pour alimenter les charges auxiliaires 16, 18, lesquelles sont alimentées avec une tension et une fréquence constante de 480V/60Hz, indépendamment de la vitesse de rotation du moteur grâce à l'utilisation du convertisseur statique 82 et du transformateur élévateur 98. Lorsque le véhicule circule, et qu'il se trouve dans une phase de freinage, les hacheurs rhéostatiques 50 sont mis en oeuvre pour dissiper l'énergie réintroduite par les moteurs 14 au travers des onduleurs 34. Dans ces conditions de fonctionnement, une partie de l'énergie réinjectée par les moteurs 14 est utilisée par le convertisseur statique 82 disposé en parallèle des hacheurs rhéostatiques 50 pour alimenter les équipements auxiliaires 16, 18 au travers du transformateur élévateur 98 de sorte que le moteur 12 est placé au ralenti, limitant ainsi sa consommation en énergie fossile. L'ensemble de ces modes de fonctionnement permet d'améliorer la consommation d'énergie fossile, réduisant celle-ci de 3 à 4,5% suivant le cycle de fonctionnement. En particulier, celle-ci est réduite de 3,2% pour un cycle AAR (Amercian Association of Railroad). La présence des groupes d'interrupteurs 100, 122, 124 et de la dérivation 120 permet, en cas de disfonctionnement du convertisseur statique 82, d'assurer l'alimentation des équipements auxiliaires 16, 18 par l'intermédiaire d'un onduleur de traction 34, permettant ainsi à la locomotive d'achever sa mission, même si le moteur 14 normalement alimenté par l'onduleur 34 qui alimente alors les équipements auxiliaires n'est plus en fonction. REVENDICATIONS1.- Locomotive diesel-électrique (10) comportant : - un moteur diesel (12), - un alternateur (20) accouplé mécaniquement pour son entraînement au moteur diesel (12) et relié en sortie à un bus à courant continu (26) au travers d'un redresseur (22), - au moins un moteur électrique de traction (14) relié au bus (26) au travers d'un onduleur de traction (34), - au moins un équipement auxiliaire (16, 18) à alimentation électrique, alimenté depuis le moteur diesel (12), caractérisée en ce qu'elle comporte, pour l'alimentation du ou de chaque équipement auxiliaire (16, 18), une chaîne (80) de mise en forme du courant reliée en entrée au bus à courant continu (26). 2.- Locomotive diesel-électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chaîne de mise en forme du courant (80) comporte un onduleur auxiliaire (82) dont la sortie est connectée à l'entrée d'un transformateur élévateur (98). 3.- Locomotive diesel-électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de commutation de secours (122) propres à relier sélectivement la chaîne de mise en forme du courant (80) à la sortie d'un onduleur de traction (34) et l'onduleur de traction (34) comporte des moyens (103) de pilotage pour assurer une production d'un courant identique à celui produit normalement par l'onduleur auxiliaire (82). 4.- Locomotive diesel-électrique selon les revendications 2 et 3 prises ensemble, caractérisée en ce que les moyens de commutation de secours (122) sont propres à relier l'entrée du transformateur élévateur (98) à la sortie de l'onduleur de traction (34). 5.- Locomotive diesel-électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de commutation (100) propres à assurer la déconnexion de l'onduleur auxiliaire (82) de l'entrée du transformateur élévateur (98) lorsque le transformateur élévateur (98) est relié à l'onduleur de traction (34) au travers des moyens de commutation (122) de secours. 6.- Locomotive diesel-électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un hacheur rhéostatique de freinage (50) disposé entre le bus à courant continu (26) et le ou chaque onduleur de traction (34).