Brevet FR3034068A1 — publié le 20160930

Système ferroviaire métropolitain La présente invention concerne un système ferroviaire métropolitain. Il y a un besoin pour un système de capacité moyenne ou élevée, présentant une consommation électrique faible, pouvant être déployé rapidement et à moindre coût dans des environnements fortement urbanisés, comme des centres-villes. Or, en ce qui concerne par exemple la consommation, les fournisseurs de tels systèmes cherchent à la réduire en se focalisant uniquement sur la réduction de la masse des voitures des trains. L'invention a pour but de répondre à ce besoin, en proposant notamment un système résultant d'une optimisation de la consommation électrique par la mise en oeuvre d'une approche globale, selon laquelle chaque composante du système est adaptée non seulement en fonction de ce qu'elle peut apporter en elle-même à la réduction de la consommation, mais également en fonction des effets qu'elle engendre sur les autres composantes du système et leurs apports à la réduction de la consommation. A cet effet, l'invention a pour objet un système ferroviaire métropolitain comportant une composante de génie civil et de voies, une composante de matériel roulant, une composante d'alimentation en puissance électrique et une composante de signalisation, caractérisé en ce que : la composante de génie civile et de voies comporte une voie ferrée présentant des pentes entre -6% et 6% et des voies constituées de deux fils de rails ; la composante de matériel roulant comporte des trains à roulement fer et à motorisation répartie sur chacun des bogies des voitures composant un train ; la composante d'alimentation en puissance électrique comporte une pluralité de sous-stations réversibles, chaque sous-station comportant un convertisseur connecté entre un réseau et une section d'un troisième rail électrique circulant le long de la voie, et étant propre à être activé pour fonctionner : - soit en redresseur, de manière à acheminer une puissance électrique dudit réseau vers ladite section du troisième rail pour alimenter en énergie électrique un train, connecté à ladite section, dont les moteurs fonctionnent en traction ; - soit en onduleur, de manière à acheminer une puissance électrique de ladite section vers ledit réseau pour récupérer une énergie électrique d'un train connecté à ladite section, dont les moteurs fonctionnent en freinage. Le système selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 3034068 2 - la voie ferrée de la composante de génie civile et de voies présente des rayons de courbures pouvant descendre jusqu'à 45 mètres. - la voie ferrée de la composante de génie civile et de voies présente, en station, une portion surélevée par rapport au profil moyen de la voie en amont et en aval de ladite 5 station. - chaque voiture de la composante de matériel roulant présente, en charge, une masse inférieure à 14,5 tonnes par bogie, de préférence égale à environ 13 tonnes pas bogie. - chaque voiture de la composante de matériel roulant comporte une caisse reliée 10 à chaque bogie par une couronne à bille. - les voitures de la composante de matériel roulant sont standards. - chaque voiture de la composante de matériel roulant présente une longueur de 18 mètres, deux bogies séparés l'un de l'autre de 8 mètres et respectivement équipés de deux moteurs électriques. 15 - chaque sous-station réversible de la composante d'alimentation en puissance électrique est connectée entre une section d'un troisième rail et un réseau qui est un réseau intermédiaire propriétaire, des équipements secondaires dudit système étant connectés audit réseau intermédiaire propriétaire. - la composante de signalisation comporte un système de contrôle automatique 20 des trains, les trains étant sans conducteur. - les voitures de la composante de matériel roulant sont utilisées pour le transport de passagers et/ou pour le transport de marchandises. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant au dessin 25 annexé sur lequel l'unique figure est une représentation schématique générale du système ferroviaire de métropolitain selon l'invention. Le présent système ferroviaire métropolitain 1 comporte une composante de génie civil et de voies 2, une composante de matériel roulant 3, une composante d'alimentation en puissance électrique 4 et une composante de signalisation 5. 30 Le système 1 est d'abord optimisé dans son ensemble pour pouvoir présenter une consommation électrique réduite par rapport à l'existant, de l'ordre de 20%. Le système 1 est ensuite optimisé dans son ensemble de manière à pouvoir être déployé rapidement dans un centre-ville, en trois ou quatre années seulement. Le système 1 est enfin optimisé dans son ensemble pour présenter des coûts de réalisation et de maintenance faibles. 3034068 3 La composante de génie civil et de voies 2 comporte ainsi principalement des sections de voie aériennes. Ces sections aériennes sont constituées par des viaducs, chaque viaduc comportant un tablier horizontal supporté par des piliers verticaux. Avantageusement, les pièces élémentaires pour réaliser le tablier et les piliers sont 5 des pièces en béton, préfabriquées en usine, qui présentent un nombre limité de forme pour accroître la standardisation et diminuer les prix de revient. Une telle composante 2 essentiellement aérienne est particulièrement appréciable en centre-ville, puisqu'au cours des travaux de réalisation du système 1, la voie publique n'est bloquée que le temps nécessaire à l'implantation des piliers et à la réalisation du 10 tablier. Toutes les autres étapes de la réalisation du système 1 s'effectuent essentiellement hors de la voie publique. La voie ferrée, constituée de deux fils de rails, est réalisée en mettant en oeuvre le dispositif développé par la demanderesse et présenté dans le document EP 1 178 153 A1, qui permet l'implantation automatique, rapide et précise d'éléments de support des 15 rails, sur un radier en béton coulée sur le tablier du viaduc. La voie ferrée peut présenter des rayons de courbure faibles, allant jusqu'à 45 mètres (à comparer au rayon de courbure minimum de l'ordre de 100 mètres pour les systèmes actuels). Des rayons de courbure aussi faibles permettent de réduire les dimensions du réseau ferroviaire. Ceci est particulièrement appréciable lorsqu'il s'agit 20 d'intégrer le tracé de la voie ferrée au coeur d'un environnement fortement urbanisé. La voie ferrée peut présenter des pentes entre -6% et +6%, ce qui constitue un intervalle important pour un système ferroviaire de métropolitain. Cet intervalle est généralement entre -4% et +4%. Des pentes aussi élevées permettent de réduire les dimensions du réseau en offrant la possibilité de passer rapidement d'une première 25 altitude à une seconde altitude. Ceci est particulièrement avantageux lorsqu'il s'agit de relier des sections de voie sous-terraines ou tout au moins au niveau de la voie publique (par exemple des sections de voie existantes), à des sections de voie aériennes. D'une manière générale, cela donne plus de souplesse dans le tracé possibles de la ligne. Avantageusement, la portion de voie ferrée au droit des quais d'une station d'arrêt 30 des trains est surélevée par rapport à un niveau moyen de la voie en amont et en aval de la station, de sorte que la voie présente une pente montante pour l'arrivée en station et une pente descendante pour le départ de la station. Ainsi, lorsqu'il arrive en station, un train est naturellement freiné par la pente montante et, lorsqu'il quitte la station, est accéléré par la pente descente. Cette configuration de la voie participe à la réduction de 35 la consommation électrique des trains circulant sur la ligne. 3034068 4 La composante d'alimentation en puissance électrique 4 comporte une pluralité de sous-stations réversibles. Le document EP 1 985 492 Al décrit une telle composante d'alimentation en puissance électrique à base de sous-stations réversibles. Plus précisément, chaque sous-station réversible comporte un convertisseur propre à être 5 activé pour fonctionner : - soit en redresseur, de manière à acheminer une puissance électrique d'un réseau vers une ligne pour alimenter en énergie électrique un train dont les moteurs fonctionnent en traction ; - soit en onduleur, de manière à acheminer une puissance électrique de la ligne 10 vers le réseau pour récupérer une énergie électrique d'un train dont les moteurs fonctionnent en freinage. Dans le présent système 1, la ligne à laquelle sont électriquement connectés les trains est un troisième rail circulant le long des fils de rails de la voie ferrée. Cette solution est retenue car le système 1 est séparé de la voie publique et des personnes. Il n'y a 15 donc pas de danger à avoir un rail d'alimentation porté à une tension de 750 V DC pour l'alimentation des moteurs électriques des trains fonctionnant en traction. En variante, la ligne est une caténaire sur une ou plusieurs parties de la voie ferrée. Dans le présent système, le réseau auquel sont reliées les différentes sous- stations n'est pas directement le réseau du fournisseur d'énergie électrique, mais un 20 réseau intermédiaire propriétaire, auquel sont également reliés différents équipements secondaires, tels que des équipements de ventilation de sections de voie en tunnel, des équipements d'affichage en station, etc. Une telle configuration permet de réutiliser l'énergie récupérée lors des freinages pour alimenter l'ensemble des auxiliaires connectés à ce réseau intermédiaire, réduisant ainsi la consommation énergétique. 25 Un autre avantage de mettre en oeuvre des sous-stations réversibles est de pouvoir s'affranchir de rhéostat de freinage embarqué à bord des trains pour dissiper l'énergie électrique générée par les moteurs fonctionnant en freinage. En conséquence, le train ne dissipe plus son énergie de freinage sous forme de chaleur dans l'air environnant. Si la ligne comporte des sections sous tunnel, l'air de ces 30 tunnels reste à une température basse et il n'y a pas besoin de prévoir des équipements secondaires de ventilation des tunnels. Puisque les trains circulent dans des tunnels dont l'air reste relativement frais, il n'y a pas non plus besoin de prévoir des équipements secondaires de ventilation embarqués pour rafraîchir l'air intérieur des voitures. Tout ceci constitue des sources d'économie d'énergie. 3034068 5 La composante de matériel roulant 3 comporte des trains composés de deux à cinq voitures. Chaque voiture présente de préférence un gabarit de 2,7 mètre de large et 18,0 mètres de long (entre accouplements). 5 Elle comporte deux bogies, de préférence séparés l'un de l'autre de 8 mètres, chaque bogie comportant deux essieux. De préférence, chaque essieu est motorisé au moyen d'un moteur électrique asynchrone. Le roulement de chaque bogie est un roulement fer (roue/rail). Ainsi, un train de la composante de matériel roulant 3 est muni d'une motorisation 10 répartie sur chaque bogie. Il est 100% motorisé. Ceci est rendu possible car, comme indiqué ci-dessus, pour la fonction de freinage électrique, les voitures ne comportent pas de rhéostat de freinage, l'énergie électrique générée par les moteurs étant récupérée soit par un autre train dont les moteurs fonctionnent en traction, soit par les sous-stations réversibles fonctionnant en 15 récupération d'énergie. Cela permet donc de libérer une place importante sous la caisse des voitures, entre les deux bogies. Typiquement un rhéostat de freinage occupe la majeure partie de la largeur de la caisse et présente une longueur d'environ 1,2 mètre. Cette place libérée sous la caisse est utilisée pour motoriser chaque bogie et loger, entre les bogies, les équipements associés à un moteur électrique, tels que les coffres de 20 traction, les convertisseurs, etc. La répartition de la motorisation tout le long du train conduit à un train présentant de bien meilleures performances en accélération et freinage, ce qui a un impact direct sur la souplesse de conduite du train et, par conséquent, sur sa capacité à être piloté par la composante de signalisation 5 au plus près des profils de vitesses optimales déterminés 25 pour chaque section de la voie. Le fait de mettre en oeuvre des trains 100% motorisés permet de franchir des pentes entre -6% et +6% avec un roulement fer (contact roue/rail). Il est à noter que pour des pentes élevées, des roues à pneu seraient normalement utilisées. Cependant, cette solution engendre des pertes par frottement bien plus importantes qu'une roue métallique 30 en contact avec un rail. Ainsi un roulement fer participe de manière importante à la réduction de la consommation énergétique du présent système. Il est à noter que la composante de matériel roulant 3 comportant des voitures 100% motorisées a un coût de fabrication plus élevée. Cependant, ce coût est rapidement contrebalancé par les gains d'exploitation sur l'ensemble du système. 3034068 6 Avantageusement, les caisses des voitures de la composante de matériel roulant 3 sont légères pour présenter un poids par bogie inférieur à 14,5 tonnes, de préférence égal à 13,0 tonnes par bogie, alors que la voiture est en charge (environ 6 personnes de 70 kg par mètre carré). Par exemple, les caisses sont réalisées en aluminium. Cette 5 masse par bogie est optimisée de manière à nécessiter moins d'énergie en traction. La composante d'alimentation électrique est dimensionnée en conséquence. Pour pouvoir circuler sur des voies présentant un rayon de courbure faible, la caisse est reliée à chaque bogie par une liaison couronne, par exemple une couronne à bille. Ce type de liaison permet un débattement angulaire important entre l'axe du bogie et 10 l'axe de la caisse, nécessaire pour franchir les courbes. Dans le présent système de métro, 99% de la puissance nominale de freinage d'un train est assurée par les moteurs électriques. Le pourcent restant est réalisé par un dispositif de freinage pneumatique équipant chaque voiture. Dans les conditions normales de fonctionnement, le dispositif de freinage pneumatique est utilisé pour l'immobilisation 15 en station lorsque le train passe au-dessous des 3 km/h. Dans des conditions dégradées de fonctionnement, le dispositif de freinage pneumatique d'une voiture est dimensionné pour réaliser le freinage à la place des moteurs électriques de cette voiture et ceci pendant une durée correspondant à une journée d'utilisation du train, de sorte que l'exploitation de ce dernier n'est pas affectée par une défaillance d'un moteur électrique 20 ou de la traction. Le dispositif de freinage est également propre à réaliser un freinage d'urgence en cas de nécessité. Il est à noter que la maintenance du dispositif de freinage pneumatique est aisée puisqu'il est normalement peu utilisé. De préférence, les voitures sont des voitures standards, c'est-à-dire identiques les unes aux autres, de manière à réduire au maximum les coûts de développement et de 25 fabrication. On prévoit ainsi une voiture d'extrémité avec une zone cabine sans conducteur, et une voiture intermédiaire destinée à être placée entre deux voitures. De ce fait, la composition d'un train est particulièrement simple puisqu'il s'agit d'atteler entre elles deux voitures d'extrémité et entre aucune et trois voitures intercalaires. Le nombre de voitures constituant un train dépend de la capacité que l'exploitant 30 de la ligne souhaite atteindre. La capacité de la ligne dépend également de l'intervalle de temps entre deux trains successifs. Classiquement cet intervalle est de 90 secondes aux heures de pointes. Dans le présent système de métro, cet intervalle peut encore être réduit par la mise en oeuvre d'une composante de signalisation 5 adaptée, comme cela sera décrit ci-dessous. Le présent système 1, destiné à un centre-ville, permet de 35 transporter entre 10000 et 45000 passagers par heure. 3034068 7 La composante de signalisation 5 intègre un système de contrôle automatique des trains du type système ATO, pour « Automatic Train Operation », couplé avec un système ATC/ATP, pour « Automatic Train Control » et « Automatic Train Protection ». Il s'agit par exemple d'un système du type fondé sur la communication entre le bord et le sol, dit 5 système CBTC, pour « Communication Based Train Control ». De préférence, il s'agit d'un système CBTC similaire au système européen European Train Control System, dans son niveau 3. Avec un tel système de contrôle automatique, le train n'a pas besoin de conducteur. Un système ferroviaire métropolitain sans conducteur est par lui-même un 10 système qui permet la minimisation de la consommation énergétique. De plus, un train peut être contrôlé de manière à ce que sa vitesse instantanée soit au plus près d'un profil de vitesses optimales en chaque point de la voie. Ce profil de vitesses optimales est déterminé en prenant en compte les performances en accélération et freinage des trains, qui sont particulièrement élevées du 15 fait d'une motorisation répartie et à 100%. De plus, au moyen d'une telle composante de signalisation, le trafic des trains peut être optimisé, notamment en faisant en sorte que les trains se suivent de manière à ce que lorsqu'un train fonctionne en freinage et fournit une puissance électrique, le train précédent ou suivant fonctionne en traction pour utiliser cette énergie. 20 Enfin, une composante de signalisation du type ETCS Level 3 permet de se dispenser d'un grand nombre d'équipements secondaires le long de la voie. La mise en oeuvre du présent système ferroviaire de métropolitain, avec ses différentes composantes optimisées les unes les autre et les unes en fonction des autres, permet une réduction de 20% de la consommation électrique par rapport aux systèmes de 25 métro actuels. L'exploitation du présent système ferroviaire métropolitain peut être encore rentabilisée en l'utilisant non seulement pour le transport de passagers, mais également pour le transport de fret. Par exemple, alors qu'en journée, les voitures d'un train sont principalement utilisées pour le transport de passagers, la nuit, les voitures sont 30 principalement utilisées pour le transport de marchandises. REVENDICATIONS1.- Système ferroviaire de métropolitain (1) comportant une composante de génie civil et de voies (2), une composante de matériel roulant (3), une composante d'alimentation en puissance électrique (4) et une composante de signalisation (5), caractérisé en ce que : - la composante de génie civile et de voies (2) comporte une voie ferrée présentant des pentes entre -6% et 6% et des voies constituées de deux fils de rails ; - la composante de matériel roulant (3) comporte des trains à roulement fer et à motorisation répartie sur chacun des bogies des voitures composant un train ; - la composante d'alimentation en puissance électrique (4) comporte une pluralité de sous-stations réversibles, chaque sous-station comportant un convertisseur connecté entre un réseau et une section d'un troisième rail électrique circulant le long de la voie, et étant propre à être activé pour fonctionner : - soit en redresseur, de manière à acheminer une puissance électrique dudit réseau vers ladite section du troisième rail pour alimenter en énergie électrique un train, connecté à ladite section, dont les moteurs fonctionnent en traction ; - soit en onduleur, de manière à acheminer une puissance électrique de ladite section vers ledit réseau pour récupérer une énergie électrique d'un train connecté à ladite section, dont les moteurs fonctionnent en freinage. 2.- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la voie ferrée de la composante de génie civile et de voies (2) présente des rayons de courbures pouvant descendre jusqu'à 45 mètres. 3.- Système selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la voie ferrée de la composante de génie civile et de voies (2) présente, en station, une portion surélevée par rapport au profil moyen de la voie en amont et en aval de ladite station. 4.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque voiture de la composante de matériel roulant (3) présente, en charge, une masse inférieure à 14,5 tonnes par bogie, de préférence égale à environ 13 tonnes pas bogie. 30 35 3034068 9 5.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque voiture de la composante de matériel roulant (3) comporte une caisse reliée à chaque bogie par une couronne à bille. 5 6.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les voitures de la composante de matériel roulant (3) sont standards. 7.- Système de métro selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque voiture de la composante de matériel roulant (3) présente une longueur 10 de 18 mètres, deux bogies séparés l'un de l'autre de 8 mètres et respectivement équipés de deux moteurs électriques. 8.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque sous-station réversible de la composante d'alimentation en puissance 15 électrique (4) est connectée entre une section d'un troisième rail et un réseau qui est un réseau intermédiaire propriétaire, des équipements secondaires dudit système étant connectés audit réseau intermédiaire propriétaire. 9.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce 20 que la composante de signalisation (5) comporte un système de contrôle automatique des trains, les trains étant sans conducteur. 10.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les voitures de la composante de matériel roulant (3) sont utilisées pour le transport 25 de passagers et/ou pour le transport de marchandises.30