Brevet FR3100489A1 — publié le 20210312

Module de puissance électrique La présente invention concerne un module de puissance électrique (12) pour un véhicule ferroviaire (10), comportant un dispositif (20) de conversion de courant électrique et un dispositif (22) de refroidissement dudit dispositif de conversion ; ledit dispositif de conversion comportant une pluralité d’unités de conversion (24), chaque unité de conversion comprenant une pluralité d’éléments semi-conducteurs (28) ; ledit dispositif de refroidissement comprenant une pluralité d’échangeurs thermiques (30) tels que, dans une position assemblée, la pluralité d’éléments semi-conducteurs (28) est en contact thermique avec ledit échangeur ; le module comprenant des moyens d’assemblage amovible de chaque unité de conversion avec l’échangeur correspondant, ledit support étant apte à être dissocié dudit échangeur et du reste du module de puissance électrique. Figure pour l'abrégé : Fig. 1 Module de puissance électrique La présente invention concerne un module de puissance électrique pour un véhicule ferroviaire, du type comportant un dispositif de conversion de courant électrique et un dispositif de refroidissement dudit dispositif de conversion. Un tel module de puissance électrique avec système de refroidissement est notamment décrit dans le document EP2291067. Les dispositifs de conversion de courant électrique comprennent classiquement des éléments semi-conducteurs, qui font partie des éléments émetteurs de chaleur nécessitant un refroidissement. Ces éléments semi-conducteurs, ainsi que les dispositifs électroniques de commande correspondants, nécessitent de fréquentes interventions d’entretien et/ou de remplacement. Dans les modules de puissance actuels, ces opérations d’entretien présentent des contraintes importantes. En particulier, il est souvent nécessaire de faire intervenir plusieurs opérateurs en raison du poids des éléments à démonter. En outre, les systèmes de refroidissement font souvent intervenir des interfaces thermiques à base de produits fluides de type graisse, qui génèrent également des contraintes en cas de démontage. La présente invention a pour but d’optimiser une architecture du module de puissance afin de remédier à ces inconvénients. A cet effet, l’invention a pour objet un module de puissance électrique du type précité, dans lequel le dispositif de conversion comporte une pluralité d’unités de conversion, chaque unité de conversion comprenant : un support, une pluralité d’éléments semi-conducteurs et une carte électronique de commande desdits éléments semi-conducteurs, les éléments semi-conducteurs et la carte électronique étant fixés au support ; le dispositif de refroidissement comprend une pluralité de premiers échangeurs thermiques tels que, dans une position assemblée d’un premier échangeur thermique avec une unité de conversion, la pluralité d’éléments semi-conducteurs est en contact thermique avec ledit premier échangeur de sorte à céder de la chaleur audit premier échangeur ; et le module comprend des moyens d’assemblage amovible du support de chaque unité de conversion avec le premier échangeur correspondant, ledit support étant apte à être dissocié dudit premier échangeur et du reste du module de puissance électrique. Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le module de puissance électrique comporte l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le dispositif de conversion de courant électrique comporte au moins un bloc de conversion, le ou chaque bloc de conversion comprenant une barre de connexion et deux unités de conversion, les éléments semi-conducteurs de chacune desdites deux unités de conversion étant munis de moyens amovibles de connexion avec ladite barre de connexion, les supports des deux unités de conversion étant disposés de part et d’autre de la barre de connexion ; - les éléments semi-conducteurs de chaque unité de conversion sont des transistors bipolaires à grille isolée ; - au moins un premier échangeur thermique est assemblé à une interface thermique solide, de sorte que dans la position assemblée dudit premier échangeur thermique avec une unité de conversion, ladite interface thermique assure un transfert thermique entre la pluralité d’éléments semi-conducteurs de ladite unité de conversion et ledit premier échangeur thermique ; - le dispositif de refroidissement comprend : un circuit fermé de fluide caloporteur ; et un deuxième échangeur thermique apte à transférer de la chaleur dudit fluide caloporteur vers un flux d’air généré par un déplacement du véhicule ferroviaire ; chacun des premiers échangeurs thermiques et le deuxième échangeur thermique étant disposés sur ledit circuit fermé ; - chaque unité de conversion présente une masse totale inférieure à 30 kg, de préférence inférieure à 20 kg. L’invention se rapporte en outre à un coffre de traction destiné à être disposé en toiture d’un véhicule ferroviaire, ledit module comportant un module de puissance électrique tel que décrit ci-dessus et un ou plusieurs panneaux supérieurs de couverture, le ou chaque panneau étant mobile entre une position ouverte et une position fermée, dans lequel chaque unité de conversion est située en vis-à-vis dudit ou de l’un desdits panneaux de couverture. L’invention se rapporte en outre à un véhicule ferroviaire comportant une chaîne de traction comprenant un moteur électrique et un coffre de traction tel que décrit ci-dessus, ledit coffre de traction étant situé en toiture dudit véhicule. L’invention se rapporte en outre à un procédé d’entretien d’un véhicule ferroviaire tel que décrit ci-dessus, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : déplacement du ou d’un panneau supérieur de couverture en position ouverte ; actionnement des moyens d’assemblage amovible, de sorte à dissocier le support d’une unité de conversion d’avec le premier échangeur thermique correspondant ; et extraction de ladite unité de conversion du coffre de traction. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle, de face, en coupe, d’un véhicule ferroviaire comprenant un module de puissance électrique selon un mode de réalisation de l’invention ; et - la figure 2 est une vue de détail du module de puissance électrique de la figure 1 selon un mode particulier de réalisation de l’invention. La figure 1 représente un véhicule ferroviaire 10 comprenant un module de puissance 12, ou convertisseur de puissance électrique. Le véhicule ferroviaire 10 est par exemple un véhicule moteur d’une rame de transport de passagers ou de fret. Le véhicule ferroviaire 10 comporte notamment un moteur électrique (non représenté) d’une chaîne de traction, alimenté en énergie électrique par le module de puissance 12. Le véhicule ferroviaire 10 comporte notamment un coffre de traction 14, situé en toiture dudit véhicule et visible sur la figure 1. On considère une base orthonormée (X, Y, Z), la direction Z représentant la verticale, la direction X correspondant à une direction longitudinale de déplacement du véhicule ferroviaire 10 et la direction Y correspondant à une direction transversale horizontale. Une surface extérieure du coffre de traction 14 est définie par un panneau central 16, sensiblement disposé dans un plan (X, Y) et par des panneaux latéraux 17, situés de part et d’autre du panneau central 16. Les panneaux latéraux 17 sont sensiblement symétriques l’un de l’autre par rapport à un plan (X, Z) médian du véhicule ferroviaire 10. Un seul des panneaux latéraux 17 est visible sur la figure 1. Chaque panneau latéral 17 est incliné, une extrémité en contact avec le panneau central 16 étant plus haute qu’une extrémité opposée. Il en résulte une forme convexe classique du coffre de traction 14. A titre indicatif, un panneau latéral est incliné d’un angle compris entre 20° et 60° par rapport à l’horizontale. Par ailleurs, le coffre de traction 14 comprend une structure interne comportant au moins un plan incliné 18, sensiblement parallèle à un panneau latéral 17 et disposé sous ledit panneau latéral. Un espace situé entre ledit panneau latéral 17 et ledit plan incliné 18 forme un compartiment interne 19 du coffre de traction 14. De préférence, chaque panneau latéral 17 est mobile entre une position fermée, telle que représentée sur la figure 1, et une position ouverte. Ladite position ouverte permet à un opérateur d’accéder au compartiment interne 19. Le module de puissance 12 comporte un dispositif 20 de conversion de courant électrique, et un dispositif 22 de refroidissement dudit dispositif de conversion 20. Le dispositif de conversion 20 comporte notamment une pluralité d’unités de conversion 24. Comme visible sur la figure 1, chaque unité de conversion 24 comprend notamment un support 26, une pluralité d’éléments semi-conducteurs 28 et une carte électronique 29 de commande desdits éléments semi-conducteurs 28. Les éléments semi-conducteurs 28 et la carte électronique 29 sont fixés au support 26. Les éléments semi-conducteurs 28 sont de type transistor. Préférentiellement, les éléments semi-conducteurs 28 sont des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT). Les IGBT ont notamment une fonction de commutateurs dans chaque unité de conversion 24. Les unités de conversion 24 sont disposées dans le compartiment interne 19 fermé par l’un ou l’autre des panneaux latéraux 17. Préférentiellement, les unités de conversion 24 sont disposées en vis-à-vis d’un panneau latéral 17. D’une manière générale, chaque unité de conversion 24 comprend préférentiellement des composants du dispositif de conversion 20 qui nécessitent des opérations fréquentes d’entretien et/ou de remplacement. Le dispositif 22 de refroidissement comporte une pluralité de premiers échangeurs thermiques 30. Dans une position assemblée d’un premier échangeur thermique 30 avec une unité de conversion 24, les éléments semi-conducteurs, en particulier les IGBT 28, sont en contact thermique avec ledit premier échangeur 30 de sorte à céder de la chaleur audit premier échangeur. Chaque premier échangeur thermique 30 est par exemple disposé sur le plan incliné 18. Selon un mode de réalisation, une interface thermique 31 est disposée sur au moins l’un des premiers échangeurs thermiques 30, de sorte à être interposée entre ledit premier échangeur 30 et les IGBT 28 dans la position assemblée. De préférence, l’interface thermique 31 est formée d’un matériau solide et du type interface sèche. Comme il sera détaillé par la suite, le module 12 comprend des moyens 44 d’assemblage amovible du support 26 de chaque unité de conversion 24 avec le premier échangeur thermique 30 correspondant. Ainsi, chaque unité de conversion 24 est apte à être dissociée dudit premier échangeur 30 et du reste du module 12. Selon un mode de réalisation, le dispositif 20 de conversion de courant électrique comporte au moins un bloc de conversion 32, tel que représenté à la figure 2. Le bloc de conversion 32 comporte notamment deux unités de conversion 24 telles que décrites ci-dessus, ainsi qu’un socle 34, une barre de connexion 36 et une capacité filtre 38. La barre de connexion 36, ou busbar, a la forme d’une plaque sensiblement plane. Le bloc de conversion 32 est configuré de sorte que la barre de connexion 36 et les IGBT de chacune des deux unités de conversion 24 soient disposés de manière sensiblement coplanaire. La barre de connexion 36 est par exemple disposée entre les deux unités de conversion 24 selon la direction X. Les IGBT de chacune des deux unités de conversion 24 sont munis de moyens amovibles de connexion avec la barre de connexion 36, tels que des plots de connexion 40. Le socle 34 comprend deux réceptacles 42, chacun desdits réceptacles étant destiné à s’assembler de manière amovible avec l’une des deux unités de conversion 24. Plus précisément, chaque unité de conversion 24 comprend des moyens 44 d’assemblage amovible avec l’un des réceptacles 42 du socle 34. Les moyens d’assemblage amovible 44 sont par exemple de type vis Par ailleurs, une masse totale de chaque unité de conversion 24 est de préférence limitée à une quinzaine ou une vingtaine de kilogrammes environ, de manière à ce qu’une unité de conversion puisse être manipulée par un seul opérateur et sans outillage spécifique. De préférence, le bloc de conversion 32 est configuré de sorte que la capacité filtre 38 soit disposée sous la barre de connexion 36 et les deux unités de conversion 24. Plus préférentiellement, le socle 34 est configuré de sorte qu’un espace 46 soit ménagé entre les réceptacles 42 et la capacité filtre 38, le plan incliné 18 et les premiers échangeurs thermiques 30 étant reçus dans ledit espace 46. Dans la position assemblée telle que représentées aux figures 1 et 2, chaque unité de conversion 24 du bloc de conversion 32 est assemblée à l’un des réceptacles 42 ; et les IGBT 28 de chacune desdites unités de conversion 24 sont en contact thermique avec le premier échangeur thermique 30 correspondant, via l’interface thermique 31. Le dispositif de refroidissement 22 comporte en outre un deuxième échangeur thermique 50, apte à échanger de la chaleur avec un flux d’air généré par un déplacement du véhicule ferroviaire. Le deuxième échangeur 50 est par exemple disposé en partie centrale du coffre de traction 14, sous le panneau central 16. Le deuxième échangeur thermique 50 est préférentiellement un radiateur à ailettes. Plus préférentiellement, le deuxième échangeur thermique 50 est dimensionné de sorte qu’une circulation du véhicule ferroviaire 10 suffise à évacuer suffisamment de chaleur, sans nécessiter de ventilateurs. Le dispositif de refroidissement 22 comporte en outre un circuit fermé (non représenté) de fluide caloporteur, reliant la pluralité de premiers échangeurs thermiques 30 au deuxième échangeur thermique 50. Ledit fluide caloporteur dudit circuit fermé est apte à transférer de la chaleur de chacun des premiers échangeurs thermiques 30 vers le deuxième échangeur thermique 50. De préférence, le fluide caloporteur est diphasique et les premiers échangeurs thermiques 30 comprennent des évaporateurs capillaires, comme décrit notamment dans le document EP2291067. Chaque évaporateur capillaire est traversé par le fluide caloporteur diphasique. Le fluide caloporteur diphasique est par exemple choisi parmi le méthanol et l’acétone. Un fonctionnement du module de puissance 12 va à présent être décrit. Le moteur électrique de la chaîne de traction du véhicule ferroviaire 10 décrit ci-dessus est mis en fonctionnement, pour le déplacement dudit véhicule ferroviaire. Les unités de conversion 24 du module de puissance 12 sont également mises en fonctionnement. Les IGBT 28 de chaque unité de conversion 24 dégagent donc de la chaleur qui diffuse par conduction à travers l’interface thermique 31 jusqu’au premier échangeur thermique 30 correspondant. Le fluide caloporteur du dispositif de refroidissement 22 transfère ladite chaleur au deuxième échangeur thermique 50. Au niveau dudit deuxième échangeur, ladite chaleur est cédée à un flux d’air généré par le déplacement du véhicule ferroviaire 10. En cas d’entretien nécessaire d’une unité de conversion 24, un opérateur déplace le panneau 17 correspondant de la position fermée à la position ouverte, puis déconnecte les plots de connexion 40 et actionne les moyens 44 d’assemblage amovible de l’unité de conversion 24 concernée, de sorte à dissocier ladite unité de conversion 24 de son réceptacle 42. L’unité de conversion 24 concernée est ainsi aisément extraite du compartiment 19 du coffre de traction 14. Cette extraction est facilitée par le poids limité d’une unité de conversion, qui peut être manipulée par un seul opérateur. En outre, la nature solide de l’interface thermique 31 facilite la dissociation des IGBT 28 d’avec leur dispositif de refroidissement, le transfert thermique n’étant pas assuré par un matériau visqueux de type huile ou graisse. En outre, le démontage de l’unité de conversion 24 ne nécessite aucune intervention sur le circuit de fluide caloporteur du dispositif de refroidissement 22. Après des interventions au niveau des IGBT 28 et/ou de la carte électronique 29, l’unité de conversion 24 est réassemblée au reste du module 12 par un procédé inverse. La configuration du module 12 permet ainsi d’intervenir facilement et rapidement au niveau des composants nécessitant le plus d’entretien, tels que les transistors IBGT et les cartes électroniques. L’entretien peut ainsi être réalisé par un seul opérateur, sans contraintes particulières. Module (12) de puissance électrique pour un véhicule ferroviaire (10), comportant : - un dispositif (20) de conversion de courant électrique ; et - un dispositif (22) de refroidissement dudit dispositif de conversion ; ledit dispositif de conversion comportant une pluralité d’unités de conversion (24), chaque unité de conversion comprenant : un support (26), une pluralité d’éléments semi-conducteurs (28) et une carte électronique (29) de commande desdits éléments semi-conducteurs, les éléments semi-conducteurs et la carte électronique étant fixés au support ; ledit dispositif de refroidissement comprenant une pluralité de premiers échangeurs thermiques (30) tels que, dans une position assemblée d’un premier échangeur thermique avec une unité de conversion, la pluralité d’éléments semi-conducteurs (28) est en contact thermique avec ledit premier échangeur de sorte à céder de la chaleur audit premier échangeur ; le module comprenant des moyens (44) d’assemblage amovible du support (26) de chaque unité de conversion avec le premier échangeur correspondant, ledit support étant apte à être dissocié dudit premier échangeur et du reste du module de puissance électrique. Module (12) de puissance électrique selon la revendication 1, dans lequel le dispositif (20) de conversion de courant électrique comporte au moins un bloc de conversion (32), le ou chaque bloc de conversion comprenant une barre de connexion (36) et deux unités de conversion (24), les éléments semi-conducteurs (28) de chacune desdites deux unités de conversion étant munis de moyens amovibles (40) de connexion avec ladite barre de connexion, les supports (26) des deux unités de conversion étant disposés de part et d’autre de la barre de connexion. Module de puissance électrique selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les éléments semi-conducteurs (28) de chaque unité de conversion (24) sont des transistors bipolaires à grille isolée. Module de puissance électrique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins un premier échangeur thermique (30) est assemblé à une interface thermique (31) solide, de sorte que dans la position assemblée dudit premier échangeur thermique avec une unité de conversion (24), ladite interface thermique assure un transfert thermique entre la pluralité d’éléments semi-conducteurs (28) de ladite unité de conversion et ledit premier échangeur thermique. Module de puissance électrique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de refroidissement comprend : un circuit fermé de fluide caloporteur ; et un deuxième échangeur thermique (50) apte à transférer de la chaleur dudit fluide caloporteur vers un flux d’air généré par un déplacement du véhicule ferroviaire (10) ; chacun des premiers échangeurs thermiques (30) et le deuxième échangeur thermique étant disposés sur ledit circuit fermé. Module de puissance électrique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque unité de conversion (24) présente une masse totale inférieure à 30 kg, de préférence inférieure à 20 kg. Coffre de traction (14) destiné à être disposé en toiture d’un véhicule ferroviaire, ledit module comportant : un module de puissance électrique (12) selon l’une quelconque des revendications précédentes et un ou plusieurs panneaux supérieurs (17) de couverture, le ou chaque panneau étant mobile entre une position ouverte et une position fermée, dans lequel chaque unité de conversion (24) est située en vis-à-vis dudit ou de l’un desdits panneaux de couverture. Véhicule ferroviaire (10) comportant une chaîne de traction comprenant un moteur électrique et un coffre de traction (14) selon la revendication 7, ledit coffre de traction étant situé en toiture dudit véhicule. Procédé d’entretien d’un véhicule ferroviaire selon la revendication 8, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - déplacement du ou d’un panneau supérieur (17) de couverture en position ouverte ; - actionnement des moyens (44) d’assemblage amovible, de sorte à dissocier le support (26) d’une unité de conversion (24) d’avec le premier échangeur thermique (30) correspondant ; et - extraction de ladite unité de conversion du coffre de traction (14).