Brevet FR3064429A1 — publié le 20180928

Circuit électrique de filtrage, système d'alimentation comprenant un tel circuit et véhicule ferroviaire associé La présente invention concerne un circuit électrique de filtrage d'une alimentation électrique d'un véhicule ferroviaire via un pantographe propre à être en contact électrique avec une caténaire, le circuit électrique comprenant un filtre comportant une bobine électromagnétique et un condensateur connecté en parallèle de la bobine électromagnétique, le filtre ayant une fréquence propre. L'invention concerne également un système d'alimentation d'un véhicule ferroviaire, comprenant un tel circuit du filtrage. L'invention concerne également un véhicule ferroviaire. L'invention concerne le domaine du filtrage d'un courant d'alimentation d'un véhicule ferroviaire, en particulier une motrice ferroviaire comportant un moteur et un système d'alimentation du moteur notamment par courant alternatif. Le filtrage est effectué avec des éléments passifs, tels que des bobines électromagnétiques et des condensateurs. On connaît un circuit électrique de filtrage de type précité. Le circuit électrique comporte une bobine électromagnétique et un condensateur connectés en parallèle, formant ainsi un circuit LC, aussi appelé « circuit bouchon ». Dans un tel circuit électrique de filtrage, l'énergie entre un champ magnétique de la bobine électromagnétique et un champ électrique du condensateur est échangée de manière périodique. En conséquence, un courant fort alterne avec une tension forte dans le circuit électrique de filtrage. La fréquence à laquelle cet échange d'énergie est répété de manière périodique est la fréquence propre du circuit électrique de filtrage. La valeur de la fréquence propre dépend de la valeur de l'impédance de la bobine électromagnétique et de la valeur de la capacité du condensateur. Toutefois, le filtrage opéré par un tel circuit électrique de filtrage n'est pas optimal. Le but de l'invention est donc de proposer un circuit électrique de filtrage offrant un meilleur filtrage, et permettant notamment de filtrer une bande de fréquences du courant d'alimentation du véhicule ferroviaire, afin d'avoir une réception de signaux avec une moindre pertuffiation pour une ou plusieurs antennes de réception embarquées à bord du véhicule ferroviaire. 3064429 2 À cet effet, l'invention a pour objet un circuit électrique de filtrage d'une alimentation électrique d'un véhicule ferroviaire, le véhicule étant alimenté via un pantographe propre à être en contact électrique avec une caténaire, le circuit électrique comprenant un premier filtre, le premier filtre comportant une première bobine 5 électromagnétique et un premier condensateur connecté en parallèle de la première bobine électromagnétique, le premier filtre ayant une première fréquence propre, le circuit électrique de filtrage comprenant en outre un deuxième filtre, le deuxième filtre comportant une deuxième bobine électromagnétique et un deuxième condensateur connecté en parallèle de la deuxième bobine électromagnétique, le deuxième filtre ayant 10 une deuxième fréquence propre distincte de la première fréquence propre, le premier filtre et le deuxième filtre étant connectés en série et étant configurés pour être disposés entre le pantographe et un transformateur relié électriquement à une roue du véhicule ferroviaire, l'un des premier et deuxième filtres étant configuré pour être connecté directement au transformateur. 15 Le circuit électrique selon l'invention comporte alors deux fréquences propres, distinctes l'une de l'autre, et permet d'atténuer des perturbations dans une bande de fréquences autour de ces deux fréquences propres. Ces perturbations proviennent, par exemple, d'un saut du pantographe sur la caténaire ou d'un arc électrique lors de l'actionnement d'un disjoncteur connecté au pantographe. 20 Avec le circuit électrique de l'état de la technique, ayant une unique fréquence propre, la bande de fréquence filtrée est plus étroite, et offre une protection moins efficace de la réception de signaux à l'aide d'antenne(s) radioélectrique(s) contre ces perturbations. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le circuit électrique comprend 25 une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible : - le premier filtre et le deuxième filtre sont connectés entre eux par un point intermédiaire et seule une extrémité de l'un des premier et deuxième filtres est configurée pour être connectée au transformateur ; 30 - le point intermédiaire est configuré pour ne pas être directement connecté au transformateur ; - le circuit électrique de filtrage est configuré pour filtrer des fréquences autour d'une fréquence de filtrage, la fréquence de filtrage étant comprise entre les première et deuxième fréquemes propres ; 35 - la valeur de la fréquence de filtrage est comprise entre 1 MHz et 10 MHz. 3064429 3 L'invention a également pour objet un système d'alimentation d'un véhicule ferroviaire, le système comprenant un pantographe, un disjoncteur, un circuit électrique de filtrage, et un transformateur, le pantographe, le disjoncteur, le circuit électrique de filtrage et le transformateur 5 étant connectés en série et étant configurés pour être connectés électriquement entre une caténaire et une roue du véhicule ferroviaire, le circuit électrique de filtrage étant tel que défini ci-dessus. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le système d'alimentation électrique comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou 10 suivant toute combinaison techniquement possible : - le système d'alimentation comprend en outre un convertisseur d'énergie électrique configuré pour alimenter électriquement un moteur électrique, le convertisseur d'énergie électrique étant connecté au transformateur ; - le transformateur comporte un enroulement primaire et un enroulement 15 secondaire, et le circuit électrique de filtrage est connecté à l'enroulement primaire ; - le transformateur comporte un enroulement primaire et un enroulement secondaire, et le convertisseur d'énergie électrique est connecté à l'enroulement secondaire. 20 L'invention a également pour objet un véhicule ferroviaire comprenant un moteur électrique, un système d'alimentation du moteur électrique, le système d'alimentation étant tel que précédemment décrit. Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en 25 référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un véhicule ferroviaire comprenant un moteur électrique et un système d'alimentation du moteur électrique, le système d'alimentation étant relié à une caténaire ; - la figure 2 est une courbe de réponse en fréquence d'un circuit de filtrage inclus 30 dans le système d'alimentation de la figure 1. Dans la suite de la description, l'expression « sensiblement égal à » s'entend par une relation d'égalité à plus ou moins 10%, de préférence à plus ou moins 5%. Sur la figure 1, un véhicule ferroviaire 1 comporte un système d'alimentation 35 électrique 10, un moteur électrique 12 alimenté par le système d'alimentation 10 et plusieurs roues 14, seule une roue 14 étant représentée par souci de simplification du 3064429 4 dessin. Le système d'alimentation électrique 10 est configuré pour être connecté électriquement à une caténaire 16 d'une part, et à au moins la roue 14 du véhicule ferroviaire 1 d'autre part. Le système d'alimentation électrique 10 est configuré pour alimenter le moteur électrique 12 du véhicule ferroviaire 1. 5 Le système d'alimentation électrique 10 comporte, connectés en série, un pantographe 30, un disjoncteur 32, un circuit électrique de filtrage 34 et un transformateur électrique 36. Le système d'alimentation électrique 10 comporte en outre un convertisseur d'énergie électrique 38 connecté au transformateur 36. Le moteur électrique 12 du véhicule ferroviaire est par exemple un moteur à 10 courant alternatif. En variante, le moteur électrique 12 est un moteur à courant continu. Il est configuré pour tracter le véhicule ferroviaire 1. Chaque roue 14 du véhicule ferroviaire est disposée sur un rail 18. Chaque roue 14 et les rails 18 sont au potentiel électrique de la terre. En conséquence, la connexion du système d'alimentation 10 à au moins une roue 14 forme une mise à la terre du système 15 d'alimentation électrique 10, c'est-à-dire une connexion à une masse électrique. Le pantographe 30 est connecté au disjoncteur 32, et est configuré pour être relié électriquement à la caténaire 16, par contact avec celle-ci. Le pantographe 30 est configuré pour recevoir une tension de la part de la caténaire 16. La tension d'alimentation fournie par la caténaire 16 est une tension alternative, telle par exemple 20 qu'une tension monophasée d'environ 25 kV à 50 Hz. Le disjoncteur 32 est configuré pour protéger la liaison électrique entre le pantographe 30 et le circuit électrique 34 contre les surintensités. Le circuit électrique de filtrage 34 est de préférence connecté directement au transformateur électrique 36. Le circuit électrique de filtrage 34 comporte un premier filtre 25 40 et un deuxième filtre 42 connectés en série. Il est configuré pour filtrer une bande de fréquences du courant d'alimentation du véhicule ferroviaire 1 autour d'une fréquence de filtrage F0. Le transformateur 36 est connu en soi et configuré pour modifier la valeur de tension en entrée du convertisseur d'énergie électrique 38, à partir de la tension fournie 30 par la caténaire 16. Par exemple, la tension de la caténaire 16 est sensiblement égale à 25 kV, et le moteur 12 fonctionne à une tension plus basse. Le transformateur électrique 36 est alors configuré pour abaisser la tension d'alimentation fournie par la caténaire 16 à une tension plus basse, en entrée du convertisseur d'énergie électrique 38. Le transformateur 36 comporte un enroulement primaire 39A connecté eu circuit 35 électrique de filtrage 34. L'enroulement primaire 39A est en outre relié électriquement à la 3064429 5 roue 14 du véhicule ferroviaire 1. Le transformateur 36 comporte en outre un enroulement secondaire 39B connecté au convertisseur d'énergie électrique 38. Le convertisseur d'énergie électrique 38 est connecté entre le transformateur électrique 36 et le moteur électrique 12. Il est configuré pour convertir une fréquence de 5 tension d'alimentation en entrée en une autre fréquence de tension en sortie, afin d'alimenter électriquement le moteur 12 à la fréquence désirée. Le convertisseur d'énergie électrique 38 comporte un redresseur, non représenté, configuré pour convertir un courant alternatif issu du transformateur 36 en un courant continu, suivi d'un onduleur, non représenté, configuré pour convertir le courant continu issu du redresseur en un 10 courant alternatif fourni en entrée du moteur. Au sein du convertisseur d'énergie électrique 38, le redresseur et l'onduleur sont reliés entre eux par un bus continu, non représenté. Les premier et deuxième filtres 40, 42 sont configurés pour être disposés entre le pantographe 30 et le transformateur 36 et forment le circuit électrique de filtrage 34. Par 15 exemple, le deuxième filtre 42 est connecté directement au transformateur 36. Chaque filtre 40, 42 comprend respectivement une bobine électromagnétique 50, 52 et un condensateur 54, 56. Dans l'exemple de la figure 1, le premier filtre 40 comprend une première bobine électromagnétique 50 et un premier condensateur 54 connecté en parallèle de la première bobine électromagnétique 50. En outre, le premier filtre 40 a une 20 première fréquence propre F1. Le deuxième filtre 42 comprend une deuxième bobine électromagnétique 52 et un deuxième condensateur 56 connecté en parallèle de la deuxième bobine électromagnétique 52. Le deuxième filtre 42 a une deuxième fréquence propre F2. Les premier et deuxième filtres 40, 42 sont connectés entre eux en série. Les 25 premier et deuxième filtres 40, 42 sont connectés entre eux en un point intermédiaire 60. De préférence, le point intermédiaire 60 n'est pas directement connecté au transformateur 36. De préférence, seule une extrémité 62 du deuxième filtre 42 est connectée directement au transformateur électrique 36. Une extrémité 64 du premier filtre 40 est connectée au disjoncteur 32. 30 En variante, non représentée, les premier et deuxième filtres 40, 42 sont configurés pour être disposés entre le pantographe 30 et le disjoncteur 32. Par exemple, l'extrémité 64 du premier filtre 40 est configurée pour être connectée au pantographe 30 et l'extrémité 62 du deuxième filtre 42 est connectée au disjoncteur 32. La valeur de la première fréquence propre F1 du premier filtre 40 dépend des 35 valeurs de l'inductance de la première bobine électromagnétique 50 et de la capacité du 3064429 6 premier condensateur 54. La valeur de la première fréquence propre Fl du premier filtre 40 est calculée selon la formule de Thomson : 1 1 =-- 2t[ Ll Cl avec Ll la valeur de l'inductance de la première bobine électromagnétique 50 et 5 Cl la valeur de capacité du premier condensateur 54. Plus la valeur Ll de l'inductance et/ou la valeur Cl de capacité est grande, plus la fréquence propre Fl du premier filtre 40 est petite. La valeur de la deuxième fréquence propre F2 du deuxième filtre 42 dépend, de manière similaire, des valeurs de l'inductance de la deuxième bobine électromagnétique 10 52 et de la capacité du deuxième condensateur 56 selon la formule de Thomson : 1 F2 = 27tV.1L.2- avec L2 la valeur de l'inductance de la deuxième bobine électromagnétique 52 et C2 la valeur de capacité du deuxième condensateur 56. La première fréquence propre Fl du premier filtre 40 est distincte de la deuxième 15 fréquence propre F2 du deuxième filtre 42. La fréquence de filtrage FO du filtre ainsi constitué est comprise entre les première et deuxième fréquences propres F1, F2 des premier et deuxième filtres 40, 42. La fréquence de filtrage FO est par exemple comprise entre 1 MHz et 10 MHz, par exemple sensiblement égale à 5 MHz. La première fréquence propre Fl du premier filtre 20 40 est inférieure à la fréquence de filtrage F0, par exemple comprise entre 1 MHz et 4,5 MHz, de préférence sensiblement égale à 4,5 MHz, et la deuxième fréquence propre F2 du deuxième filtre 42 est supérieure à la fréquence de filtrage F0, par exemple comprise entre 5,5 MHz et 10 MHz, de préférence sensiblement égale à 5,5 MHz. En variante, la première fréquence propre Fl du premier filtre 40 est supérieure à 25 la fréquence de filtrage F0, et la deuxième fréquence propre F2 du deuxième filtre 42 est alors inférieure à la fréquence de filtrage F0. Le fonctionnement du système d'alimentation électrique 10, et en particulier du circuit électrique de filtrage 34, va être à présent décrit. 30 Lorsque le moteur 12 est alimenté à partir d'une tension d'alimentation fournie par la caténaire 16, un courant passe successivement par les premier et deuxième filtres 40, 42. Chaque filtre 40, 42 absorbe au moins partiellement le courant à la fréquence propre F1, F2 respective. De préférence, les première et deuxième fréquences propres Fl, F2 sont choisies 35 dans une bande de fréquences correspondant à une bande de fréquences de réception 3064429 7 d'une antenne, afin d'atténuer les perturbations de réception dues au courant d'alimentation et d'améliorer alors la compatibilité électromagnétique, également appelé EMC (de l'anglais ElectroMagnetic Compatibility), de l'antenne de réception. L'antenne est par exemple disposée sous un châssis du véhicule ferroviaire 1. Par exemple, les 5 antennes dans le système européen de surveillance du trafic ferroviaire (ou ERTMS de l'anglais European Rail Traffic Management System) reçoivent dans une bande de fréquences autour de 4,2 MHz telle que la bande entre 3,9 MHz et 4,5 MHz. La première fréquence propre F1 est par exemple sensiblement égale à 4,1 MHz et la deuxième fréquence propre F2 est par exemple sensiblement égale à 5 MHz. Le circuit électrique de 10 filtrage 34 atténue les perturbations d'au moins 20 dB dans la bande de 3,9 MHz à 4,5 MHz autour des première et deuxième fréquences propres F1, F2. Une réception correcte des signaux ERTMS est alors possible dans une bande de fréquences suffisamment large autour de la fréquence de filtrage FO sensiblement égale à 4,2 MHz. La compatibilité électromagnétique avec l'antenne de réception est alors améliorée. 15 Sur la figure 2, un exemple de l'atténuation obtenue via le circuit électrique de filtrage 34 est représenté. La courbe 100 représente une courbe de réponse en fréquence du circuit de filtrage 34 selon l'invention, avec un niveau de signal exprimé en ordonnée et en dBm. L'abscisse désigne les fréquences correspondantes exprimées en MHz et en échelle logarithmique. 20 Dans l'exemple de la figure 2, la première fréquence propre F1 du premier filtre 40 est inférieure à la fréquence de filtrage F0. La fréquence propre F2 du deuxième filtre 42 est supérieure à la fréquence de filtrage F0. Les première et deuxième fréquences propres F1, F2 sont proches de la fréquence de filtrage F0. Par exemple, la première fréquence propre F1 est sensiblement égale à 4,1 MHz, la fréquence de filtrage FO 25 sensiblement égale à 4,2 MHz et la deuxième fréquence propre sensiblement égale à 5 MHz. La perturbation est diminuée pour les première et deuxième fréquences propres F1, F2 et dans une bande de fréquences B autour des première et deuxième fréquences propres F1, F2. En somme, une atténuation de la perturbation électromagnétique est 30 effectuée dans une bande plus large autour de la fréquence de filtrage F0. En particulier, la perturbation électromagnétique est diminuée dans la bande de fréquences B de 3,8 MHz à 4,8 MHz. L'atténuation de la perturbation est par exemple maximale à la deuxième fréquence propre F2. La perturbation électromagnétique est minimale dans la bande de fréquences B. 35 Dans l'exemple de la figure 2, la valeur minimale de l'atténuation obtenue via le circuit électrique de filtrage 34 est sensiblement égale à 20 dB entre 3,8 MHz et 4,8 MHz. 3064429 8 La valeur maximale de l'atténuation est celle obtenue autour de la fréquence centrale de filtrage F0, et est alors sensiblement égale à 23 dB. La largeur de la bande de fréquences B est sensiblement égale à 1 MHz. Dans cette bande de fréquences B, l'atténuation obtenue via le circuit électrique de filtrage 34 est supérieure ou égale à 20 dB. 5 Le circuit électrique de filtrage 34 selon l'invention comprend alors deux filtres LC connectés en série et permet de filtrer des perturbations du courant d'alimentation du véhicule ferroviaire 1 dans une bande de fréquences suffisamment large pour permettre une bonne réception radioélectrique de signaux via des antennes de réception. Avec le système d'alimentation électrique 10 selon l'invention, les premier et deuxième filtres 40, 10 42 sont reliés en série pour atténuer une bande plus large de fréquences. On conçoit ainsi que le circuit électrique de filtrage 34 offre un filtrage amélioré et permet notamment de filtrer une bande de fréquences du courant d'alimentation du véhicule ferroviaire 1, afin d'avoir une réception de signaux radioélectriques avec une moindre perturbation. 15 REVENDICATIONS1. Circuit électrique (34) de filtrage d'une alimentation électrique d'un véhicule ferroviaire (1), le véhicule étant alimenté via un pantographe (30) propre à être en contact électrique avec une caténaire (16), le circuit électrique de filtrage (34) comprenant un premier filtre (40), le premier filtre (40) comportant une première bobine électromagnétique (50) et un premier condensateur (54) connecté en parallèle de la première bobine électromagnétique (50), le premier filtre (40) ayant une première fréquence propre (F1), caractérisé en ce que le circuit électrique de filtrage (34) comprend en outre un deuxième filtre (42), le deuxième filtre (42) comportant une deuxième bobine électromagnétique (52) et un deuxième condensateur (56) connecté en parallèle de la deuxième bobine électromagnétique (52), le deuxième filtre (42) ayant une deuxième fréquence propre (F2) distincte de la première fréquence propre (F1), le premier filtre (40) et le deuxième filtre (42) étant connectés en série et étant configurés pour être disposés entre le pantographe (30) et un transformateur (36) relié électriquement à une roue (14) du véhicule ferroviaire (1), l'un des premier et deuxième filtres (40, 42) étant configuré pour être connecté directement au transformateur (36). 2. Circuit électrique de filtrage (34) selon la revendication 1, dans lequel le premier filtre (40) et le deuxième filtre (42) sont connectés entre eux par un point intermédiaire (60) et seule une extrémité (62) de l'un des premier et deuxième filtres (40, 42) est configurée pour être connectée au transformateur (36). 3. Circuit électrique de filtrage (34) selon la revendication 2, dans lequel le point intermédiaire (60) est configuré pour ne pas être directement connecté au transformateur (36). 4. Circuit électrique de filtrage (34) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit électrique de filtrage (34) est configuré pour filtrer des fréquences autour d'une fréquence de filtrage (F0), la fréquence de filtrage (F0) étant comprise entre les première et deuxième fréquences propres (F1, F2). 5. Circuit électrique de filtrage (34) selon la revendication 4, dans lequel la valeur de la fréquence de filtrage (F0) est comprise entre 1 MHz et 10 MHz. 3064429 10 6. Système (10) d'alimentation d'un véhicule ferroviaire (1), le système d'alimentation (10) comprenant : - un pantographe (30), - un disjoncteur (32), 5 - un circuit électrique de filtrage (34), et - un transformateur (36), le pantographe (30), le disjoncteur (32), le circuit électrique de filtrage (34) et le transformateur (36) étant connectés en série et étant configurés pour être connectés électriquement entre une caténaire (16) et une roue (14) du véhicule ferroviaire (1), 10 caractérisé en ce que le circuit électrique de filtrage (34) est selon l'une quelconque des revendications précédentes. 7. Système d'alimentation (10) selon la revendication 6, dans lequel le système d'alimentation (10) comprend en outre un convertisseur d'énergie électrique (38) 15 configuré pour alimenter électriquement un moteur électrique (12), le convertisseur d'énergie électrique (38) étant connecté au transformateur (36). 8. Système d'alimentation (10) selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le transformateur (36) comporte un enroulement primaire (39A) et un enroulement 20 secondaire (39B), et le circuit électrique de filtrage (34) est connecté à l'enroulement primaire (39A). 9. Système d'alimentation (10) selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le transformateur (36) comporte un enroulement primaire (39A) et un enroulement 25 secondaire (39B), et le convertisseur d'énergie électrique (38) est connecté à l'enroulement secondaire (39B). 10. Véhicule ferroviaire (1) comprenant : - un moteur électrique (12), 30 - un système (10) d'alimentation du moteur électrique (12), caractérisé en ce que le système d'alimentation (10) est selon l'une quelconque des revendications 6 à 9.