Brevet FR3032397A1 — publié le 20160812

Système de protection de la chaîne de traction d'un véhicule ferroviaire, ligne de transmission et véhicule ferroviaire associés La présente invention concerne un système de protection de la chaîne de traction d'un véhicule ferroviaire, ladite chaîne de traction comportant un moteur électrique et un circuit d'alimentation en puissance électrique du moteur électrique. L'invention concerne, plus particulièrement, un système de protection d'un moteur électrique synchrone à aimants permanents pour un véhicule ferroviaire. Pour alimenter un tel moteur, une chaîne d'alimentation comporte successivement un convertisseur, un contacteur d'isolement, des câbles connectés entre le contacteur d'isolement et les bornes d'entrée du moteur. En cas de détection d'un défaut électrique du type court-circuit, le contacteur d'isolement est ouvert pour isoler le convertisseur du moteur électrique. De ce fait, les composants du convertisseur sont protégés contre la puissance électrique générée par le moteur électrique fonctionnant à cet instant en source de courant puisqu'il est entraîné par les roues du véhicule ferroviaire en mouvement. Cependant, l'ouverture du contacteur d'isolement ne permet pas d'isoler un défaut électrique en aval du contacteur d'isolement, c'est-à-dire un défaut interne au moteur électrique ou un défaut externe au moteur électrique, par exemple entre les câbles de 20 connexion. Or, un tel défaut en aval du contacteur d'isolement est généralement associé à la formation d'un arc électrique, qui peut conduire au départ d'un incendie ou à la destruction du moteur électrique. Dans ce dernier cas, il y a un risque pour que le rotor soit bloqué à l'intérieur du stator du moteur, conduisant à un évènement redouté 25 nécessitant l'immobilisation du train et l'évacuation des passagers. Pour garantir la sureté de fonctionnement d'un tel moteur électrique synchrone à aimants permanents, il est nécessaire de gérer toute défaillance possible pour éviter tout évènement redouté. Le document EP 2 634 884 prévoit ainsi d'équiper la chaîne d'alimentation 30 d'interrupteurs commandés supplémentaires permettant la mise en court-circuit franc des phases du moteur, pour éviter la formation et la propagation d'un arc électrique. Toutefois, un tel dispositif ne permet pas de résoudre tous les types de défauts internes à la machine. L'invention a donc pour but de palier au problème précité, en déployant une 35 solution de protection alternative à la solution de l'état de la technique. 3032397 2 A cet effet, l'invention a pour objet un système de protection de la chaîne de traction d'un véhicule ferroviaire, caractérisé en ce qu'il comprend : - un dispositif de couplage mécanique entre des premier et second composants d'une ligne de transmission, le premier composant étant relié à un arbre de sortie du 5 moteur électrique et le second composant étant relié à un arbre d'entrée d'un essieu du véhicule ferroviaire, le dispositif de couplage pouvant être dans un état embrayé, dans lequel un couple peut être transmis entre les premier et second composants, ou dans un état débrayé, dans lequel aucun couple ne peut être transmis entre les premier et second composants ; et, 10 - un moyen de commande propre à appliquer un signal de débrayage au dispositif de couplage mécanique, de manière à basculer le dispositif de couplage mécanique de l'état embrayé à l'état débrayé, en cas de détection d'une défaillance affectant le circuit d'alimentation du moteur électrique et/ou le moteur électrique. L'invention permet, par la mise en oeuvre d'une solution mécanique robuste, 15 d'isoler mécaniquement le moteur électrique de l'essieu, de manière à garantir la protection de la chaîne d'alimentation et du moteur électrique en cas de détection d'une défaillance, et ceci quelle que soit la nature de cette défaillance. Tout évènement redouté peut ainsi être évité. Un système de protection selon l'invention peut comporter en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) seule ou selon toute combinaison techniquement envisageable : - le dispositif de couplage comporte au moins un élément de solidarisation des premier et second composants entre eux et un module pyrotechnique propre à rompre l'élément de solidarisation lorsqu'un signal de débrayage est appliqué par le moyen de 25 commande ; - les premier et second composants sont des premier et second flasques en vis-à-vis l'un de l'autre, et dans lequel le dispositif de couplage mécanique est un boulon explosif de solidarisation des premier et second flasques entre eux ; - le moyen de commande comporte un module de commande distant, connecté 30 par l'intermédiaire d'une liaison sans fil à un module de commande proche, solidaire du dispositif de couplage, le module de commande proche générant le signal de débrayage appliqué au dispositif de couplage lors de la réception d'un signal d'actionnement émis par le module de commande distant ; - le moyen de commande comporte un moyen de détection propre, en cas de 35 détection d'une défaillance, à émettre un signal d'alerte vers le module de commande distant pour que le module de commande distant émette un signal d'actionnement ; 3032397 3 - le moyen de détection est propre à calculer des valeurs de sortie estimées à partir de valeurs d'entrée mesurées et d'un modèle dynamique de la chaîne de traction, puis à comparer ces valeurs de sortie estimées à des valeurs de sortie mesurées de la chaîne de traction, le moyen de détection étant propre à émettre un signal d'alerte en cas 5 d'écart significatif entre les valeurs de sortie estimées et mesurées ; - le dispositif de couplage est propre à basculer de manière irréversible de l'état embrayé à l'état débrayé ; - le dispositif de couplage mécanique est propre à basculer de l'état embrayé à l'état débrayé lors de la réception d'un signal de débrayage, et réciproquement de 10 basculer de l'état débrayé à l'état embrayé lors de la réception d'un signal d'embrayage. L'invention concerne également une ligne de transmission entre un moteur électrique et un essieu de véhicule ferroviaire caractérisé en ce qu'il comprend un système de protection tel que défini précédemment. Cette ligne de transmission présente un moyen pour désolidariser le moteur 15 électrique de l'essieu du véhicule ferroviaire, isolant le moteur de tout entrainement mécanique lorsque le système de protection est activé. Une ligne de transmission selon l'invention peut comporter en outre le dispositif de couplage mécanique installé entre des premier et second composants de la ligne de transmission, les premier et second composants étant des première et seconde flasques 20 prévues sur les extrémités en vis-à-vis de deux demi-arbres de la ligne de transmission entre le moteur électrique et l'essieu, ou entre un premier étage et un second étage d'un réducteur de la ligne de transmission. L'invention concerne également un véhicule ferroviaire, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne de transmission telle que définie plus haut. 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 aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 est un schéma illustratif d'une chaîne de traction ferroviaire comportant un système de protection selon un premier mode de réalisation ; - la figure 2 est un schéma illustratif d'une chaîne de traction ferroviaire comportant un système de protection selon un deuxième mode de réalisation ; et, - la figure 3 est un schéma illustratif d'une chaîne de traction ferroviaire comportant un système de protection selon un deuxième mode de réalisation. Dans tout ce qui suit, le terme « force électromotrice » s'entend comme la capacité d'un moteur électrique à générer une puissance électrique, notamment lors d'un fonctionnement dégradé. 3032397 4 La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'une chaîne de traction 2. Celle-ci comporte un essieu 4, une ligne de transmission 6, un moteur 8 à aimants permanents et un circuit d'alimentation électrique 10 du moteur. Le moteur 8 est un moteur synchrone à aimants permanents. 5 L'essieu 4 est un ensemble constitué d'un axe solidaire d'au moins une paire de roues, qui sont guidées sur une paire de rails. La ligne de transmission 6 comprend un réducteur 12, à un ou plusieurs étages, disposé entre un arbre de sortie 14 du moteur 8 et un arbre d'entrée 16 de l'essieu 4. Le circuit d'alimentation électrique 10 comporte un onduleur 18, un contacteur 10 d'isolement 20, d'un dispositif interrupteur 21 de mise en court-circuit franc des phases du moteur, et un dispositif de commande 22 du contacteur 20 et du dispositif interrupteur 21. L'onduleur 18 comporte trois bornes de sortie. Chaque borne est reliée à une phase du moteur électrique 8 à travers le contacteur d'isolement 20, le dispositif interrupteur 21, par un câble de connexion. 15 Le dispositif de commande 22 est propre à détecter une défaillance, notamment du type court-circuit, du circuit d'alimentation 10 et à commander l'ouverture du contacteur 20. L'ouverture du contacteur 20 permet d'isoler l'onduleur 18 du moteur électrique 8, qui, dans le cas où survient un défaut, reste entraîné en rotation par l'essieu 4 et génère 20 une force électromotrice risquant de détruire l'onduleur 18. Cependant, l'ouverture du contacteur 20 n'est pas suffisante car, notamment en cas de court-circuit interne au moteur 8, la force électromotrice générée par le moteur 8, couplé à l'essieu 4, risque de détruire le moteur 8 lui-même. La chaîne de traction 2 comporte ainsi un système de protection 24. 25 Le système de protection 24 permet d'isoler mécaniquement le moteur électrique 8 de l'essieu 4, notamment jusqu'à l'arrêt du véhicule ferroviaire. De cette manière, le rotor n'étant plus entraîné en rotation par l'essieu 4, le moteur 8 cesse de générer une force électromotrice. Le système de protection 24 comprend un dispositif de couplage 26 et un moyen 30 de commande 28 du dispositif de couplage 26. Le dispositif de couplage 26 est placé entre un premier composant 30 et un second composant 32 de la ligne de transmission 6. Le dispositif de couplage 26 est propre à basculer, de manière irréversible, d'un état embrayé dans un état débrayé, lors de la réception d'un signal de débrayage adapté, 35 généré par le moyen de commande 28. 3032397 5 Dans l'état embrayé, un couple peut être transmis entre les premier et second composants 30, 32 de la ligne de transmission 6. Dans l'état débrayé, aucun couple ne peut être transmis entre les premier et second composants 30, 32 de la ligne de transmission. 5 Dans le premier mode de réalisation de la figure 1, le premier composant 30 est un arbre de sortie 14 du moteur électrique 8 et le second composant 32 est un arbre d'entrée du réducteur 12. Plus précisément, l'extrémité libre de l'arbre de sortie 14 du moteur se termine par un premier flasque 34, qui est disposé en vis-à-vis d'un second flasque 36 dont est munie 10 l'extrémité de l'arbre d'entrée du réducteur 12. Le dispositif de couplage 26 est constitué par une pluralité de boulons ou de goupilles explosifs, de solidarisation des premier et second flasques 34, 36 entre eux. Un boulon explosif 38 comporte une tige 40 propre à solidariser les premier et second flasques 34, 36 entre eux et un module pyrotechnique 42 propre à rompre la tige 15 40, lors de la réception du signal de débrayage adapté, émis par le moyen de commande 28. Le moyen de commande 28 est propre à émettre un signal de débrayage à destination du dispositif de couplage 26, de manière à basculer le dispositif de couplage 26 de l'état embrayé à l'état débrayé, en cas de détection d'une défaillance affectant le 20 circuit d'alimentation 10 du moteur électrique et/ou le moteur électrique 8. Le moyen de commande 28 comprend un moyen de détection 44 de défaillance, un module de commande distant 46 et un module de commande proche 48, qui est solidaire du dispositif de couplage 26. Avantageusement, le moyen de commande 28 comprend une interface avec le 25 conducteur du véhicule ferroviaire permettant l'affichage en cabine d'une signalisation indicative de l'émission du signal de débrayage. Le moyen de détection 44 est propre à émettre un signal d'alerte vers le module de commande distant 46, en cas de détection d'une défaillance. Le moyen de détection 44 comprend un module de mesure 50 et un module de 30 calcul 52. Le module de mesure 50 est propre à transmettre au module de calcul 52, des valeurs d'entrée et de sortie mesurées, relatives au fonctionnement de la chaine de traction 2, notamment du moteur 8. Le module de mesure 50 comprend des capteurs mesurant des valeurs d'entrée et 35 des capteurs mesurant des valeurs de sortie sur la chaine de traction 2. 3032397 6 Par exemple, les capteurs d'entrée mesurent un courant électrique, au niveau du circuit d'alimentation électrique 10 et/ou entre deux phases du moteur électrique 8. Les capteurs de sortie mesurent également un courant électrique, au niveau du circuit d'alimentation électrique 10 et/ou entre deux phases du moteur électrique 8. 5 D'autres grandeurs de sortie telles qu'une tension, un couple, etc. peuvent également être mesurées. En variante, les capteurs d'entrée et de sortie réalisent une mesure d'une autre grandeur physique parmi une tension électrique, un champ magnétique, une température, une accélération, une vibration, etc. 10 Le module de calcul 52 est propre à recevoir les valeurs d'entrée et de sortie mesurées par le module de mesure 50 et à établir un diagnostic pouvant conduire à l'émission du signal d'alerte. Le module de calcul 52 est apte à calculer des valeurs de sortie estimées à partir des valeurs d'entrée mesurées en utilisant un modèle dynamique de la chaîne de traction 15 2. Ce modèle dynamique de la chaîne de traction, fondé sur une pluralité d'équations différentielles reliant des grandeurs d'entrée à des grandeurs de sortie permet de calculer, à partir des valeurs d'entrée mesurées des grandeurs d'entrée, des valeurs de sortie estimées des grandeurs de sortie. Les valeurs de sortie estimées sont ensuite comparées aux valeurs de sortie mesurées. A partir d'un certain écart entre ces valeurs, un défaut est 20 déclaré. Le module de calcul 52 est apte à comparer les valeurs de sortie estimées avec les valeurs de sortie mesurées de la chaîne de traction 2. Le module de calcul 52 est destiné à émettre le signal d'alerte, en cas d'écart significatif entre les valeurs de sortie estimées et mesurées. 25 En outre, le module de calcul 52 comprend avantageusement une mémoire enregistrant les valeurs d'entrée et de sortie mesurées et les valeurs de sortie estimées. Le module de commande distant 46 est connecté au module de calcul 52. Le module de commande distant 46 est apte à recevoir le signal d'alerte, provenant du module de calcul 52, et à convertir ce signal d'alerte, en un signal 30 d'actionnement à destination du module de commande proche 48. Le module de commande proche 48 est solidaire du dispositif de couplage 26 et est par conséquent entraîné en rotation. Les communications entre le module de commande proche 48 et le module de commande distant 46 sont réalisées par l'intermédiaire d'une liaison radioélectrique, 35 préférentiellement en mettant en oeuvre un protocole WiFi. 3032397 7 Le module de commande proche 48 est apte à recevoir le signal d'actionnement en provenance du module de commande distant 46. Le module de commande proche 48 est propre à appliquer le signal d'actionnement reçu en tant que signal de débrayage au dispositif de couplage 26 de 5 manière à basculer ce dernier de l'état embrayé à l'état débrayé. Un procédé de protection du moteur électrique 8 d'un véhicule ferroviaire mis en oeuvre à l'aide du système de protection 24 de la figure 1 va maintenant être décrit. Initialement, le véhicule ferroviaire circule sur un réseau ferroviaire. Le module de mesure 50 mesure les valeurs d'entrée et de sortie au niveau du 10 circuit d'alimentation électrique 10 et/ou entre deux phases du moteur électrique 8. Le module de calcul 52 calcule les valeurs de sortie estimées par le modèle dynamique en fonction des valeurs d'entrée mesurées. Le module de calcul 52 mesure l'écart entre les valeurs de sortie mesurées et les valeurs de sortie estimées. Le module de calcul 52 établit son diagnostic. 15 Lorsqu'un écart significatif est mesuré, indicatif d'une défaillance risquant de conduire à un évènement redouté, le moyen de détection 44 émet un signal d'alerte vers le module de commande distant 46. Le module de commande distant 46 réceptionne le signal d'alerte et communique le signal d'actionnement correspondant au module de commande proche 48. 20 Le module de commande proche 48 réceptionne le signal d'actionnement et l'applique, en tant que signal de débrayage, au dispositif de couplage 26. Le signal de débrayage déclenche la mise à feu du module pyrotechnique 42, ce qui a pour conséquence de rompre la tige 40. Le dispositif de couplage 26 basculant, de manière irréversible, de l'état embrayé 25 à l'état débrayé, les premier et second flasques 30, 32 sont découplés l'un de l'autre. L'arbre d'entrée 16 est désolidarisé de l'arbre de sortie 14. L'arbre de sortie 14, associé au rotor du moteur, décélère et s'immobilise, tandis que l'arbre d'entrée 16 continue à être entraîné par les roues du véhicule ferroviaire en mouvement. Le véhicule ferroviaire peut donc poursuivre son mouvement sans que le moteur de la chaine 30 défaillante ne fonctionne en générateur de courant. La figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation du système de protection 24 dans lequel, toutes choses égales par ailleurs, le dispositif de couplage 26 est placé entre un arbre de sortie du réducteur 12 et un arbre d'entrée 16 de l'essieu. La figure 3 illustre un troisième mode de réalisation du système de protection 24 35 dans lequel le dispositif de couplage 26 est placé entre deux étages d'un réducteur 12 à plusieurs niveaux. 3032397 8 Un tel système de protection 24 constitue une solution mécanique sécuritaire d'urgence permettant de désolidariser le moteur électrique 8 de l'essieu 4, pour isoler mécaniquement le moteur 8 de tout entrainement mécanique de l'essieu 4. Un tel système de protection 24 constitue une alternative mécanique à la place ou, 5 de préférence, en plus de la solution purement électrique de l'état de la technique, permettant de se prémunir de tout évènement redouté. En variante, le dispositif de couplage 26 mécanique est propre à basculer de l'état embrayé à l'état débrayé, et réciproquement de l'état débrayé à l'état embrayé, lors de la réception d'un signal d'embrayage adapté, généré par le moyen de commande 28. 10 Dans une autre variante, indépendante des précédentes, le moyen de détection 44 et le dispositif de commande 22 partagent les moyens de détection d'une défaillance de la chaîne de traction. REVENDICATIONS1.- Système de protection (24) de la chaîne de traction (2) d'un véhicule ferroviaire, ladite chaîne de traction (2) comportant un moteur électrique (8) et un circuit d'alimentation (10) en puissance électrique du moteur électrique (8), caractérisé en ce qu'il comprend : - un dispositif de couplage (26) mécanique entre des premier (30) et second composants (32) d'une ligne de transmission (6), le premier composant (30) étant relié à un arbre de sortie (14) du moteur électrique (8) et le second composant (32) étant relié à un arbre d'entrée (16) d'un essieu (4) du véhicule ferroviaire, le dispositif de couplage (26) pouvant être dans un état embrayé, dans lequel un couple peut être transmis entre les premier et second composants (30, 32), ou dans un état débrayé, dans lequel aucun couple ne peut être transmis entre les premier et second composants (30, 32) ; et, - un moyen de commande (28) propre à appliquer un signal de débrayage au dispositif de couplage (26) mécanique, de manière à basculer le dispositif de couplage (26) mécanique de l'état embrayé à l'état débrayé, en cas de détection d'une défaillance affectant le circuit d'alimentation (10) du moteur électrique et/ou le moteur électrique (8). 2.- Système de protection (24) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de couplage (26) comporte au moins un élément de solidarisation (40) des premier et second composants (30, 32) entre eux et un module pyrotechnique (42) propre à rompre l'élément de solidarisation (40) lorsqu'un signal de débrayage est appliqué par le moyen de commande (28). 3.- Système de protection (24) selon la revendication 2, dans lequel les premier et second composants (30, 32) sont des premier et second flasques (34, 36) en vis-à-vis l'un de l'autre, et dans lequel le dispositif de couplage (26) mécanique est un boulon explosif (38) de solidarisation des premier et second flasques (34,36) entre eux. 4.- Système de protection (24) selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans lequel le moyen de commande (28) comporte un module de commande distant (46), connecté par l'intermédiaire d'une liaison sans fil à un module de commande proche (48), solidaire du dispositif de couplage (26), le module de commande proche (48) générant le signal de débrayage appliqué au dispositif de couplage (26) lors de la réception d'un signal d'actionnement émis par le module de commande distant (46). 3032397 10 5.- Système de protection (24) selon la revendication 4, dans lequel le moyen de commande (28) comporte un moyen de détection (44) propre, en cas de détection d'une défaillance, à émettre un signal d'alerte vers le module de commande distant (46) pour que le module de commande distant (46) émette un signal d'actionnement. 5 6.- Système de protection (24) selon la revendication 5, dans lequel le moyen de détection (44) est propre à calculer des valeurs de sortie estimées à partir de valeurs d'entrée mesurées et d'un modèle dynamique de la chaîne de traction (2), puis à comparer ces valeurs de sortie estimées à des valeurs de sortie mesurées de la chaîne 10 de traction (2), le moyen de détection (44) étant propre à émettre un signal d'alerte en cas d'écart significatif entre les valeurs de sortie estimées et mesurées. 7.- Système de protection (24) selon l'une quelconques des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif de couplage (26) est propre à basculer de manière irréversible de 15 l'état embrayé à l'état débrayé. 8.- Système de protection (24) selon l'une quelconques des revendications 1 à 7, dans lequel le dispositif de couplage (26) mécanique est propre à basculer de l'état embrayé à l'état débrayé lors de la réception d'un signal de débrayage, et réciproquement 20 de basculer de l'état débrayé à l'état embrayé lors de la réception d'un signal d'embrayage. 9.- Ligne de transmission (6) pour un véhicule ferroviaire, entre un moteur électrique (8) synchrone à aimants permanents et un essieu (4), caractérisée en ce 25 qu'elle comporte un système de protection (24) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10.- Ligne de transmission (6) selon la revendication 9, dans laquelle le dispositif de couplage (26) mécanique est installé entre des premier et second composants (30, 32) 30 de la ligne de transmission (6), les premier et second composants (30, 32) étant des première et seconde flasques (34, 36) prévues sur les extrémités en vis-à-vis de deux demi-arbres de la ligne de transmission (6) entre le moteur électrique (8) et l'essieu (4), ou entre un premier étage et un second étage d'un réducteur (12) de la ligne de transmission. 35 11.- Véhicule ferroviaire, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne de transmission (6) selon la revendication 9 ou la revendication 10.