FR2917343A1 - Vehicule ferroviaire, convertisseur auxiliaire et procede d'alimentation pour ce vehicule - Google Patents

Abstract

Véhicule ferroviaire dans lequel chaque convertisseur auxiliaire comporte :- une bouche à verrouillage en phase (62) associée à une horloge (63) propre à mesurer la fréquence fondamentale de la tension triphasée sur un bus auxiliaire (18),- une mémoire (70) contenant la définition d'une fonction continue monotone permettant d'associer à chaque fréquence fondamentale mesurée, une consigne de puissance active à délivrer par ce convertisseur auxiliaire, et un bloc (32) de régulation apte à asservir la puissance active délivrée par ce convertisseur auxiliaire sur la consigne de puissance active associée à la fréquence fondamentale mesurée par l'intermédiaire de la fonction continue monotone définie dans la mémoire (70).

Description

Véhicule ferroviaire, convertisseur auxiliaire et procédé d'alimentation

pour ce véhicule. La présente invention concerne un véhicule ferroviaire, un convertisseur auxiliaire et un procédé d'alimentation pour ce véhicule.

II existe des véhicules ferroviaires comportant : - un bus auxiliaire d'alimentation formé de plusieurs conducteurs auxquels sont raccordées différentes charges auxiliaires à alimenter, chaque charge auxiliaire étant prévue pour être alimentée par une tension alternative dont la fréquence est sensiblement constante, c'est-à-dire comprise entre des fréquences fm;n et furax situées autour d'une fréquence nominale fnom de fonctionnement, et - plusieurs convertisseurs auxiliaires aptes chacun à délivrer une tension triphasée à fréquence sensiblement constante sur le bus auxiliaire, construites à partir de l'énergie électrique captée par l'intermédiaire d'un pantographe. Par charge auxiliaire, on désigne ici toute charge électrique qui doit être alimentée dans un véhicule ferroviaire à l'exception des moteurs de propulsion de ce véhicule ferroviaire. Par caténaire, on désigne aussi bien une caténaire suspendue au-dessus des rails sur lesquelles se déplace le véhicule ferroviaire qu'une caténaire posée au sol. La caténaire posée au sol est plus connue sous le terme de troisième rail . Dans le cas d'un troisième rail, le pantographe est plus connu sous le terme de balai de frottement . Dans cette description, on désigne également par le terme moyenne tension , une tension alternative comprise entre 300 et 500 Vac. Typiquement, la fréquence de cette moyenne tension est comprise entre 50 et 60 Hz.

La puissance active PA est définie par la relation suivante : PA=Ulcoscp où - U et I sont les valeurs efficaces, respectivement, de la tension et du courant, et - cp est le déphasage entre la tension et le courant.

Un exemple de véhicule ferroviaire existant est décrit dans DE 10 2004 030 228. Dans les véhicules existants, les convertisseurs n'ont aucun moyen d'échanger des informations les uns avec les autres. Ainsi, toute la puissance active demandée par une charge peut être utilisée par un seul convertisseur, ce qui engendre le vieillissement prématuré dudit convertisseur. II est possible d'asservir la puissance active générée par chaque convertisseur auxiliaire pour que celle-ci soit égale en permanence à la puissance active consommée par les charges auxiliaires divisée par le nombre de convertisseurs débitant sur le réseau. Cela nécessite cependant la mise en place d'un réseau additionnel de transmission d'informations entre les différents convertisseurs auxiliaires pour qu'ils puissent se synchroniser entre eux pour délivrer juste la puissance active nécessaire. L'installation d'un tel réseau additionnel de transmission d'informations dans un véhicule ferroviaire est difficile et coûteuse. L'invention vise donc à proposer un véhicule ferroviaire dans lequel la puissance active délivrée par les différents convertisseurs auxiliaires est la puissance active consommée par les charges auxiliaires divisée par le nombre des convertisseurs connectés sur le réseau sans pour autant nécessiter l'installation d'un réseau additionnel de transmission d'informations entre les différents convertisseurs auxiliaires. Elle a donc pour objet un véhicule ferroviaire dans lequel chaque convertisseur auxiliaire comporte : - un élément de boucle à verrouillage de phase associée à une horloge propre à mesurer la fréquence fondamentale de la tension triphasée sur le bus auxiliaire, - une mémoire contenant la définition d'une fonction continue monotone permettant d'associer à chaque fréquence fondamentale mesurée, une consigne de puissance active à délivrer par ce convertisseur auxiliaire, cette fonction étant extrémale pour la fréquence fmin et extrémale inverse pour la fréquence fmax, et - un bloc de régulation apte à asservir la puissance active délivrée par ce convertisseur auxiliaire sur la consigne de puissance active associée à la fréquence fondamentale de la tension triphasée sur le bus auxiliaire par l'intermédiaire de la fonction continue monotone définie dans la mémoire. Sur un bus auxiliaire, lorsque les charges auxiliaires consomment plus de puissance active que ce que délivrent les différents convertisseurs auxiliaires, la fréquence fondamentale de la tension triphasée du bus diminue. A l'inverse, si les convertisseurs auxiliaires délivrent plus de puissance active que ce que peuvent consommer les charges auxiliaires, alors le fréquence fondamentale de la tension triphasée augmente. Dans ces conditions, en asservissant la puissance active délivrée par chaque convertisseur auxiliaire sur une consigne de puissance active fixée à l'aide de la fonction continue monotone ci-dessus, on rend la puissance active produite égale à la puissance active consommée. De plus, étant donné que la fonction utilisée est continue entre fmin et furax, on répartit les charges entre les différents convertisseurs auxiliaires. La répartition d'une charge entre différents convertisseurs auxiliaires consiste à obtenir que la puissance active consommée par une charge auxiliaire soit produite non pas par un seul convertisseur auxiliaire mais, simultanément, par plusieurs convertisseurs auxiliaires. La répartition des charges est dite uniforme , Si la puissance active qui doit être produite pour alimenter une charge auxiliaire est uniformément répartie entre les différents convertisseurs auxiliaires. Par exemple, dans le véhicule ferroviaire ci-dessus, si la consommation d'une charge auxiliaire augmente brusquement, la fréquence fondamentale de la tension triphasée du bus auxiliaire décroît. Puisque la fréquence fondamentale décroît, la consigne de puissance active de chaque convertisseur auxiliaire croît, ce qui augmente la puissance active générée par chacun de ces convertisseurs auxiliaires. Ainsi, contrairement à ce qui se passe dans les véhicule ferroviaires existants, la demande additionnelle en puissance active est satisfaite en augmentant la puissance active générée par chacun des convertisseurs auxiliaires connectés au bus auxiliaire et non pas en augmentant la puissance active générée par un seul d'entre eux. La charge est donc plus uniformément répartie entre les différents convertisseurs auxiliaires. De plus, étant donné que la fréquence fondamentale de la tension triphasée est la même quel que soit l'endroit où elle est mesurée, il n'est pas nécessaire de prévoir un réseau additionnel de transmission d'informations reliant les différents convertisseurs auxiliaires. Enfin, le choix de la fréquence fondamentale de la tension triphasée comme grandeur de régulation commune à l'ensemble des convertisseurs auxiliaires permet d'atteindre de meilleurs résultats que si une autre grandeur de régulation commune avait été choisie telle que, par exemple, l'amplitude de la tension triphasée sur le bus auxiliaire. En effet, une fréquence peut être mesurée avec une grande précision et ne dépend pas de l'emplacement sur le bus auxiliaire où est réalisée la mesure. A l'inverse, la précision sur la mesure de l'amplitude de la tension triphasée est bien plus faible et dépend de l'emplacement où est réalisée cette mesure à cause de l'impédance des conducteurs constituant le bus auxiliaire. Les modes de réalisation de ce véhicule ferroviaire peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les convertisseurs auxiliaires sont dépourvus de moyens de communication entre eux et/ou aucune ligne de communication ne relient les convertisseurs auxiliaires entre eux ; - la fonction continue monotone définie dans la mémoire de l'un quelconque des convertisseurs auxiliaires est identique à la fonction continue monotone définie dans la mémoire des autres convertisseurs auxiliaires similaires ; - les fonctions continues monotones définies dans les mémoires respectives de convertisseurs auxiliaires différents par leurs performances électriques sont différentes ; - la différence entre la fréquence furax et fmin est inférieure ou égale à 2 Hz.

Ces modes de réalisation du véhicule ferroviaire présentent en outre les avantages suivants : - utiliser exactement la même fonction continue monotone dans chacun des convertisseurs auxiliaires similaires raccordés au bus auxiliaire permet d'assurer que chaque convertisseur auxiliaire génère la même puissance active au même instant, et - choisir les fréquences fmax et fmin proches l'une de l'autre permet de maintenir la fréquence de la tension triphasée dans un intervalle prédéterminé. L'invention a également pour objet un convertisseur auxiliaire apte à être mis en oeuvre dans le véhicule ferroviaire ci-dessus. Les modes de réalisation de ce convertisseur auxiliaire peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le convertisseur comporte des capteurs de tension et de courant permettant de mesurer la phase de la tension triphasée sur le bus auxiliaire, et le bloc de régulation comporte une boucle à verrouillage de phase propre à asservir la phase de la tension triphasée délivrée par le convertisseur auxiliaire sur une consigne de phase fonction à la fois : . d'une différence entre la phase de la tension délivrée par le convertisseur auxiliaire et la phase mesurée de la tension triphasée sur le bus auxiliaire, et . de la consigne de puissance active ; - le bloc de régulation comporte un régulateur apte à établir un angle de commande en fonction de la différence entre la consigne de puissance active et la puissance active mesurée à partir des capteurs de tension et de courant, et dans lequel la consigne de phase de la boucle à verrouillage de phase est égal à la somme de la différence et de l'angle de commande. Ces modes de réalisation du convertisseur auxiliaire présentent en outre les avantages suivants : - l'utilisation d'un élément d'une première boucle à verrouillage de phase permet de synchroniser la phase de la tension triphasée du bus auxiliaire sur une référence interne pour le calcul de la fréquence et des courants actif et réactif ; - l'utilisation d'un élément d'une deuxième boucle à verrouillage de phase permet de réguler l'angle résultant du régulateur du courant actif ; et - l'utilisation d'un régulateur pour établir l'angle de commande permet d'obtenir une régulation extrêmement stable. L'invention a également pour objet un procédé d'alimentation d'un bus auxiliaire d'un véhicule ferroviaire, ce procédé comportant : - l'alimentation de charges auxiliaires connectées au bus auxiliaire, chaque charge auxiliaire étant prévue pour être alimentée par une tension alternative triphasée dont la fréquence est sensiblement constante, c'est-à-dire comprise entre des fréquences frnax et fmin situées autour d'une fréquence nominale fnom de fonctionnement, - la délivrance simultanée par plusieurs convertisseurs auxiliaires d'une tension triphasée à fréquence sensiblement constante sur le bus auxiliaire, cette tension triphasée étant construite à partir de l'énergie captée par l'intermédiaire d'un pantographe. Dans ce procédé, chaque convertisseur auxiliaire : - mesure la fréquence fondamentale de la tension triphasée sur le bus auxiliaire, - établit une consigne de puissance active à l'aide d'une fonction continue monotone prédéfinie associant à chaque fréquence fondamentale mesurée, une consigne de puissance active à délivrer par ce convertisseur, cette fonction étant extrémale pour la fréquence fmin et extrémale inverse pour la fréquence fmax, et - asservit la puissance active délivrée par le convertisseur auxiliaire sur la consigne de puissance active associée à la fréquence fondamentale mesurée par l'intermédiaire de la fonction continue monotone prédéfinie. 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 dans lesquels : - la figure 1 est une illustration schématique d'un véhicule ferroviaire équipé de plusieurs convertisseurs auxiliaires, - la figure 2 est une illustration schématique d'un bloc de régulation mis en oeuvre dans chacun des convertisseurs auxiliaires du véhicule ferroviaire de la figure 1, - la figure 3 est un graphe illustrant une fonction continue décroissante mise en oeuvre dans le bloc de régulation de la figure 2, - la figure 4 est un organigramme d'un procédé d'alimentation d'un bus auxiliaire à l'aide des convertisseurs auxiliaires de la figure 1, - la figure 5 est un graphe illustrant différents vecteurs utilisés dans le procédé de la figure 4, et - la figure 6 est un chronogramme illustrant l'évolution de la puissance active délivrée par l'un des convertisseurs auxiliaires du véhicule ferroviaire de la figure 1 en fonction du temps.

Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail. La figure 1 représente un véhicule ferroviaire 2 équipé d'un pantographe 4 frottant sur une caténaire 6. Le véhicule 2 est, par exemple, un train, un tramway ou un métro. Le véhicule 2 comporte un bus à courant continu CC (Courant Continu) formé de deux conducteurs électriques 10 et 12. Ce bus CC est alimenté en tension continue à partir de l'énergie captée par l'intermédiaire du pantographe 4. Les différents équipements permettant de raccorder le bus CC au pantographe 4 sont schématisés sur la figure 1 par une ligne en pointillés. Plusieurs convertisseurs auxiliaires sont connectés en entrée au bus CC. Pour simplifier la figure, seuls deux convertisseurs auxiliaires 14 et 16 ont été représentés.

Ici, ces convertisseurs auxiliaires sont identiques les uns aux autres de sorte que seul le convertisseur 14 sera décrit en détail. Chacun des convertisseurs auxiliaires est connecté en sortie à un bus auxiliaire 18 d'alimentation des différentes charges auxiliaires du véhicule 2.

Le bus 18 est un bus d'alimentation en moyenne tension triphasée équilibrée. Plus précisément, la tension du bus 18 est ici de 400 Vca. La fréquence nominale tom de la tension triphasée est sensiblement constante et, ici, égale à 50 Hz. Cette fréquence fnom est imposée avec une marge de tolérance de plus ou moins x %. Typiquement, pour les véhicules ferroviaires en Europe, est égal à deux. Dans ces conditions, la fréquence de la tension triphasée peut varier entre une fréquence minimale fm;n égale à 49 Hz et une fréquence maximale furax égale à 51 Hz. Les charges auxiliaires raccordées au bus 18 sont conçues pour fonctionner sous cette tension et sous cette fréquence nominale de sorte que si la fréquence de la tension triphasée sort de la plage de tolérance, cela peut entraîner le dysfonctionnement d'une ou plusieurs charges auxiliaires. Le bus 18 est ici formé de trois conducteurs de phase 21 à 23 et d'un conducteur de neutre 24. Les charges auxiliaires sont raccordées entre les conducteurs de phase de manière à être alimentées en tension triphasée.

Pour simplifier la figure 1, seules trois charges auxiliaires 26 à 28 ont été représentées. La charge auxiliaire 26 est, par exemple, un chargeur de batterie. Les charges auxiliaires 27 et 28 sont, par exemple, des climatiseurs installés dans des voitures différentes du véhicule 2. D'autres charges auxiliaires sont raccordées au bus 18, tels que, par exemple, les moyens d'éclairage intérieur des différentes voitures du véhicule 2. Le convertisseur 14 est apte à convertir la tension continue prélevée sur le bus CC en une tension triphasée délivrée sur le bus 18. A cet effet, le convertisseur 14 comporte un onduleur commandable 30 piloté par un bloc de régulation 32. L'onduleur 30 est, par exemple, formé de trois branches raccordées en parallèle entre les conducteurs 10 et 12. Chacune de ces branches comporte deux interrupteurs commandables par le bloc de régulation 32 raccordés en série par l'intermédiaire d'un point milieu. Les points milieux de chacune des branches sont ici référencés, respectivement, 34 à 36.

Les points communs 34 à 36 sont raccordés, respectivement, aux conducteurs 21 à 23 de phase en des points de raccordement, respectivement, 40 à 42. Plus précisément, les points communs 34 à 36 sont raccordés aux points 40 à 42 par l'intermédiaire d'un filtre CEM (Compatibilité Electromagnétique) 44 et d'un contacteur commandable 46. Le filtre 44 comporte trois inductances L ayant chacune une première extrémité raccordée à un point commun 34 à 36 respectif et une seconde extrémité raccordée à un point de raccordement 40 à 42 respectif. La seconde extrémité de chacune des inductances L est raccordée par l'intermédiaire d'un condensateur respectif C à un point commun 50. Le point commun 50 est électriquement raccordé par l'intermédiaire d'une inductance L1 à un point intermédiaire 52 raccordé à chacun des conducteurs 10 et 12 par l'intermédiaire d'un même condensateur Cl. Le point commun 50 est également raccordé au conducteur 24 par l'intermédiaire du contacteur 46.

Le contacteur 46 permet de connecter et, en alternance, de déconnecter, le convertisseur 14 du bus 18. A cet effet, le contacteur 46 est commutable entre un état passant dans lequel le convertisseur 14 délivre de la tension triphasée sur le bus 18 et un état non-passant dans lequel la tension triphasée générée par l'onduleur 30 n'est pas délivrée sur le bus 18. Par exemple, le contacteur 46 comporte quatre interrupteurs commandables interposés sur chacun des conducteurs électriques raccordant les sorties du filtre 44 aux conducteurs du bus 18. Le convertisseur auxiliaire 14 comporte aussi : - trois capteurs 54 à 56 de courant mesurant le courant dans chacune des phases de la tension triphasée générée par l'onduleur 30, et - deux capteurs 58, 59 de la tension triphasée présente sur le bus 18. Chacun des capteurs 54 à 56 est situé sur un des conducteurs électriques qui s'étendent entre l'onduleur 30 et le contacteur 46. Chacun de ces capteurs de courant est raccordé au bloc 32 de régulation et permet de mesurer, respectivement, les courants IT, IS et IR.

Les capteurs 58 à 59 sont raccordés, respectivement, entre les conducteurs 21 et 22 et 21 et 23 afin de mesurer les tensions alternatives VRT et VRS et entre les conducteurs 21 et 22, et, 21 et 23 respectivement. Les capteurs 58 et 59 sont situés entre le contacteur 46 et les points de raccordement 40 à 42 de manière à être raccordés en permanence au bus 18. La figure 2 représente plus en détail le bloc 32. Le bloc 32 comporte un premier élément de boucle à verrouillage de phase 62 recevant en entrée les tensions mesurées VRS, VRT et un signal d'horloge engendré par une horloge 63. L'élément de boucle à verrouillage de phase 62 permet de mesurer la fréquence fondamentale fs de la tension triphasée sur le bus 18. Typiquement la précision de la mesure associée à la précision de l'horloge 63 est inférieure ou égale à 10"5 secondes. Elle permet également de délivrer un angle p et l'amplitude d'un vecteur Ue représentant la tension triphasée mesurée sur le bus 18 exprimé dans un repère a, 13 dit de Park. Les opérations réalisées par le premier élément de boucle à verrouillage de phase seront décrites plus en détail dans la figure 4. On définit le courant actif Id par la formule suivante : Id = Icoscp où: - I est la valeur efficace du courant triphasé engendré par l'onduleur 30, et - cf) est le déphasage entre le courant engendré par l'onduleur 30 et la tension triphasée sur le bus 18. Le bloc 32 comporte également un démodulateur 64 recevant en entrée les intensités des courants IR, IS, IT, l'angle cp et le vecteur U,p,,, . Le démodulateur 64 est apte à fournir le courant actif Id et réactif 'q, à partir des courants mesurés IR, I5, IT par une transformation de Concordia puis une transformation de Park. Le premier élément de boucle de phase 62 délivre en sortie la valeur de la fréquence fs mesurée à un module 66 d'établissement d'une consigne Pdcg, de puissance active.

Ici, pour fixer la puissance active Pdcsg, il suffit de fixer le courant actif ldcsg puisque la valeur efficace U de la tension triphasée est choisie constante et étale à 400 Voc.

A cet effet, le module 66 est raccordé à une mémoire 68 comportant une définition 72 d'une fonction continue décroissante permettant d'assurer à chaque fréquence fs mesurée possible une consigne Idcsg de puissance active. Par exemple, la fonction continue décroissante définie dans la mémoire 68 est représentée sur le graphe de la figure 3. Sur la figure 3, l'axe des abscisses représente la fréquence fs et l'axe des ordonnées représente la valeur de la consigne Idcsg. Une courbe 74 représente la fonction continue décroissante. Cette courbe 74 est à valeur constante et égale à ldmax tant que la fréquence fs mesurée par la première bouche à verrouillage de phase 62 est inférieure à la fréquence fmjn et égale à zéro tant que la fréquence fs est supérieure ou égale à la fréquence fm;r, et égale à zéro tant que la fréquence fs est supérieure ou égale à la fréquence furax. Ici, pour maintenir la fréquence du bus triphasé entre 49,5 Hz et 50,5 Hz, c'est-à-dire en deçà des tolérances autorisées, la courbe 74 est égale à Idmax tant que la fréquence fs est supérieure ou égale à 50,5 Hz. Ici, pour passer de la valeur Idmax à la valeur zéro, la fonction décroît continûment. Par exemple, ici la courbe décroît linéairement entre 49,5 et 50,5 Hz. Le bloc 32 comprend également un discriminateur 75, apte à calculer la différence entre le courant actif mesuré Id et la consigne Idcsg, et un régulateur PI (Proportionnel Integral) 76 apte à calculer un angle de commande ac à partir de cette différence (Idcsg û Id). Le bloc 32 comprend également un deuxième élément de boucle à verrouillage de phase 78 apte à calculer une fréquence fondamentale de consigne fcsg dite aussi de régulation de la tension triphasée à délivrer par le convertisseur 14 à partir de l'angle de commande ac , de l'angle p et d'un angle y mesuré d'un vecteur Uape représentant la tension triphasée générée par l'onduleur 30. Ici, un circuit additionneur et soustracteur 77 connecté en entrée du deuxième élément de boucle à verrouillage de phase 78 est apte à calculer un signal Ec égal à ac +pû y.

Enfin le bloc 32 comprend un modulateur 80 de largeur d'impulsions, plus connu sous le terme anglais de modulateur PWM (Pulse Width Modulation) qui reçoit en entrée la fréquence de consigne fcsg calculée par la deuxième bouche 78 et une consigne d'amplitude M constante.

Le modulateur 80 est apte à commander la commutation des différents interrupteurs de l'onduleur 30 de manière à ce que cet onduleur délivre en sortie une tension triphasée dont la fréquence est égale à la fréquence tag et dont la tension efficace est égale à la consigne M, c'est-à-dire à 400 Vac.

Le modulateur 80 est également apte à délivrer la valeur de l'angle Y d'un vecteur ê 43g représentant la tension triphasée générée par l'onduleur 30 dans le repère a, 13 dit de Park. Le fonctionnement du véhicule 2 va maintenant être décrit plus en détail en regard du procédé de la figure 4.

Le procédé de la figure 4 est exécuté en parallèle par chacun des convertisseurs auxiliaires susceptibles d'être connectés au bus 18. L'exécution de ce procédé ne nécessite pas l'existence d'un réseau additionnel de transmission d'informations entre les différents convertisseurs auxiliaires connectables au bus 18. Le procédé de la figure 4 sera donc décrit dans le cas particulier du convertisseur 14 sachant que tous les autres convertisseurs du véhicule 2 exécutent exactement le même procédé. Initialement, le contacteur 46 est dans son état non-passant. Dans ces conditions, le bloc 32 exécute une phase 100 de synchronisation de la phase de la tension triphasée générée par l'onduleur 30 avec la phase de la tension triphasée sur le bus 18. Plus précisément, lors d'une étape 102, les tensions VRS et VRT sont mesurées. Ensuite, lors d'une étape 104, les tensions VRS et VRT sont transformées à l'aide de la transformée de Concordia en des coordonnées Va et Vb d'un vecteur de tension Uap,ä représentant la phase et l'amplitude de la tension triphasée mesurée dans un repère a,R orthonormé. Cette transformation se fait à l'aide des relations suivantes : VRS + V JVa R T 3 V V [vil R(1) Le vecteur U am est représenté dans la figure 5. Par convention, on note p l'angle du vecteur Uapm par rapport à l'axe a du repère a,(3. L'angle p est déterminé à partir de la première boucle à verrouillage de phase 62 à partir des tensions VRs et VRT mesurées.25

Dans ce même repère on a également représenté un vecteur UaRg représentant la tension triphasée générée par l'onduleur 30. L'angle 7 entre ce vecteur Uapg et l'axe a est une mesure donnée numérique délivrée par le modulateur 80 qui donne l'angle effectif de la tension appliquée par l'onduleur de puissance.

La différences représente la différence entre la phase y de la tension triphasée générée par l'onduleur 30 et la phase de la tension triphasée mesurée p sur le bus 18. Ensuite, lors d'une étape 106, le discriminateur 77 calcule une différence Ec entre l'angle p + a, et l'angle y , cette différence étant égale à E + ac .

La différence Ep représente la différence entre la phase de la tension triphasée de consigne à appliqué à l'onduleur p + a, pour élaborer le courant actif Idpsg demandé sur le bus 18 et la phase y de la tension triphasée générée par l'onduleur 30. Ensuite, à partir de la différence c, la boucle 78 génère la fréquence fcsg qui permet d'annuler la différences p. A cet effet, par exemple, une régulation PI (Proportionnelle Integrale) est utilisée. Plus précisément, lors de l'étape 108, par exemple, C la fréquence fpsg est calculée à l'aide de la relation suivante : lcsg kPPLL + f kiPLL (2) ou - kPPLL et k;PLL sont respectivement, les coefficients constants proportionnel et intégral de la régulation PI, et - le symbole . représente l'opération multiplication. La fréquence fpsg calculée par la boucle 78 est transmise au modulateur 80. Lors d'une étape 110, le modulateur 80 commande les interrupteurs de l'onduleur 30 de manière à générer une tension triphasée dont la fréquence est égale à la fréquence fcsg et dont la valeur efficace est égale à 400 Vac. Les étapes 102 à 110 sont réitérées de manière à synchroniser la phase de la tension générée par l'onduleur 30 sur la phase de la tension triphasée du bus 18 avant même que le contacteur 46 ne soit commuté de l'état non-passant vers l'état passant. Une fois que les phases ont été synchronisées, lors d'une étape 114, le contacteur 46 est commuté de l'état non-passant vers l'état passant. A cet instant, étant donné que la tension triphasée générée par l'onduleur 30 est en phase avec la tension triphasée sur le bus 18, la connexion du convertisseur 14 au bus 18 ne provoque aucune perturbation. Ensuite, le bloc 32 procède à une phase 120 de régulation de la puissance active en fonction de la fréquence fs de la tension triphasée sur le bus 18 tout en continuant, en même temps, à synchroniser la tension triphasée générée par l'onduleur 30 sur la tension triphasée du bus 18. Au début de la phase 120, lors d'une étape 122, les intensités des courants IR, ls et h- ainsi que les tensions VRS et VRT sont mesurées. Ensuite, lors d'une étape 124, les coordonnées Va, Vb du vecteur Uaam dans le repère a,(3 sont déterminées à l'aide de la relation (1). Le démodulateur 64 détermine aussi l'angle p du vecteur uapm dans le repère a,13, par exemple, à partirdes coordonnées Va, Vb. Les coordonnées la et lb d'un vecteur de courant lapm dans le repère a,(3 sont déterminées, lors d'une étape 126, en appliquant une nouvelle fois la transformée de Concordia. Par exemple, les coordonnées la et lb sont déterminées à l'aide de la relation suivante : _ 2•IR+Is+IT la 3 IT ù IS lb = Lors d'une étape 128, le démodulateur 64 calcule le courant actif Id mesuré et le courant réactif Iq à l'aide de la relation suivante : Id = I. sin(p)+ Ib • cos(p) (4) Iq = la • cos(p)ù Ib sin(p) Le courant actif Id mesuré est alors transmis au régulateur 76 et l'angle p est transmis à la boucle 78. En parallèle des étapes 122 à 128, lors d'une étape 134, la première boucle à verrouillage de phase 62 mesure à l'aide de l'horloge 63 la fréquence fs de la tension triphasée sur le bus 18 puis délivre la valeur fs au module d'établissement de consigne 66. Lors d'une étape 136, le module d'établissement de consigne 66 établit la valeur de la consigne Idcsg de puissance active à partir de la fréquence fs mesurée et de la définition 72 de la fonction continue décroissante. Plus précisément, lors de l'étape (3) 136, le module d'établissement de consigne 66 établit quelle est la valeur de la consigne Idcsg associée par la fonction continue décroissante à la valeur de la fréquence fs mesurée. La consigne Idcsg est alors transmise au discriminateur 75.

Lors d'une étape 140, le régulateur 76 établit la valeur de l'angle de commande a, à partir de la différence formée par le discriminateur 75 entre le courant actif Id mesuré et la consigne Idcsg transmise par le module 66. L'angle de commande ac est, par exemple, établi à l'aide d'une loi proportionnelle-intégrale définie par la relation suivante : a,=kP•ek+ Jk,•ek (5) où : - ek est la différence entre Idcsg et Id, - kp et k; sont respectivement les coefficients constants proportionnel et intégral du régulateur 76.

Une fois l'angle de commande a, établi, celui-ci est transmis au deuxième élément de boucle 78. Lors d'une étape 142, le deuxième élément de boucle 78 calcule la différence Ep entre les angles p+ a, et y puis établit la valeur de la fréquence fcsg à transmettre au modulateur 80.

Lorsque le modulateur 80 reçoit une nouvelle valeur de la fréquence fcsg, lors d'une étape 144, il commande les différents interrupteurs de l'onduleur 30 de manière à délivrer une tension triphasée dont la fréquence est fs et dont la valeur efficace est égale à 400 Vac. Les étapes 122 à 144 sont réitérées tant que le convertisseur 14 est connecté au bus 18. On comprend que l'angle de commande a, qui est ajouté à la différence p - y noté E se traduit par une modification de la fréquence fcsg et donc par une modification de la puissance active délivrée par le convertisseur 14. Ainsi, le bloc de régulation 32 permet à la fois de synchroniser la phase de la tension triphasée délivrée sur la phase de la tension triphasée du bus 18 et d'ajuster la puissance active délivrée par le convertisseur 14 en fonction de la fréquence fs mesurée de la tension triphasée du bus 18.

On comprend également que la fréquence fs mesurée par tous les convertisseurs connectés au bus 18 est la même. Par conséquent, à chaque instant, chacun de ces convertisseurs auxiliaires délivre la même puissance active. Ainsi, la charge à alimenter est uniformément répartie entre tous les convertisseurs connectés au bus 18. Si nécessaire, lors d'une étape 150, le contacteur 46 est commandé, assisté par un processus d'annulation du courant actif, pour commuter de l'état passant vers l'état non-passant et ainsi déconnecter le convertisseur 14 du bus 18. Après l'étape 150, le procédé retourne à la phase 100, par exemple.

Le chronogramme de la figure 6 représente l'évolution de la puissance active générée par le convertisseur 14 en fonction du temps. Initialement, on considère que seule une charge auxiliaire consommant 175 kVA est connectée au bus 18. Dans ces conditions, l'intensité du courant actif Id est constante. Ensuite, à un instant on considère que l'on connecte le convertisseur auxiliaire 16 au bus 18. A cet instant, la puissance active disponible que peuvent délivrer les convertisseurs 14 et 16 est alors supérieure à la puissance active que peut consommer la charge auxiliaire. Cela se traduit par une augmentation de la fréquence fs mesurée de la tension triphasée sur le bus 18. Cette augmentation de la fréquence fs mesurée se traduit dans chacun des convertisseurs auxiliaires 14 et 16 par une diminution de la consigne Idcsg. Ainsi, après un très court laps de temps, la puissance active générée par les deux convertisseurs 14 et 16 se répartie uniformément entre ces deux convertisseurs. L'intensité du courant actif Id délivré par le convertisseur 14 est donc divisé par deux. La situation reste stable jusqu'à un instant t2. A cet instant, on suppose qu'une seconde charge auxiliaire consommant 175 kVA est connectée au bus 18. Ainsi, à l'instant t2, la puissance active délivrée par les convertisseurs 14 et 16 est inférieure à la puissance active qui peut être consommée par les charges auxiliaires à alimenter. Ceci se traduit par une baisse de la fréquence fs mesurée qui, elle-même provoque une augmentation de la consigne Idcsg dans chacun des convertisseurs 14 et 16. Ainsi, très rapidement, la puissance active délivrée par les convertisseurs 14 et 16 est de nouveau égale à la puissance active consommée par les charges auxiliaires. Plus précisément, après l'instant t2, chacun des convertisseurs auxiliaires 14 et 16 délivre une puissance active égale à 175 kVA. Ainsi, après l'instant t2, l'intensité du courant actif Id délivré par le convertisseur 14 est de nouveau constante et égale à l'intensité délivrée avant l'instant t1. De nombreux autres modes de réalisation du véhicule ferroviaire 2 sont possibles.

Par exemple, il n'est pas nécessaire que la fonction continue décroissante définie dans la mémoire 70 soit une droite entre fmin et fmax. Par exemple, de manière à accroître la précision de la régulation pour des charges de forte puissance, il est possible de choisir une forme de courbe de la fonction continue décroissante dans la plage [fm;n ; fmax] qui présente une dérivée seconde positive dans la plage [fmin ; fnom] puis une dérivée seconde négative dans la plage [fnom ; fmax]. A l'inverse, si l'on souhaite accroître la précision pour des charges de faible puissance, la fonction continue décroissante présentera une dérivée seconde négative dans la plage [fmin ; fnom] et une dérivée seconde positive dans la plage [fnom ; fmax]. En variante, la fonction continue décroissante peut être remplacée par une fonction continue croissante dans laquelle les extrêmes des consignes par rapport à une fonction continue décroissante sont inversées. Ici, la description a été faite dans le cas particulier où la fonction continue décroissante définie dans chacun des convertisseurs auxiliaires est identique. De manière à maintenir la fréquence fs sensiblement constante, typiquement, la différence entre les fréquences fmin et fmax en valeur absolue sera choisie inférieure à 2Hz. Ce qui a été décrit dans le cas particulier où la fréquence nominale fnom est égale à 50 Hz s'applique également à un bus auxiliaire dont la fréquence nominale est différente et, par exemple, égale à 60 Hz. Le bloc de régulation 32 a été décrit dans le cas particulier où celui-ci applique une commande vectorielle de manière à réguler la puissance active délivrée par chacun des convertisseurs auxiliaires. En variante, la commande vectorielle peut être remplacée par un autre type de commande telle que, par exemple, une commande scalaire, ou même une commande par mode de glissement. Bien entendu, ce qui a été décrit ici s'applique à des véhicules ferroviaires comportant plus de trois, quatre ou six convertisseurs auxiliaires connectables au même bus auxiliaire. II n'est par contre pas nécessaire que ces convertisseurs soient connectés au même bus CC. En particulier, ces convertisseurs peuvent être alimentés à partir de différents pantographes.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1.- Véhicule ferroviaire comportant : - un bus auxiliaire (18) d'alimentation formé de plusieurs conducteurs (21 à 24) auxquels sont raccordées différentes charges auxiliaires à alimenter, chaque charge auxiliaire étant prévue pour être alimentée par une tension alternative dont la fréquence est sensiblement constante, c'est-à-dire comprise entre des fréquences fmin et fmax situées autour d'une fréquence nominale fnom de fonctionnement, et - plusieurs convertisseurs auxiliaires (14, 16) aptes chacun à délivrer une tension triphasée à fréquence sensiblement constante sur le bus auxiliaire, construites à partir de l'énergie électrique captée par l'intermédiaire d'un pantographe (4), caractérisé en ce que chaque convertisseur auxiliaire comporte : - un élément de boucle à verrouillage de phase (62) associée à une horloge (63) propre à mesurer la fréquence fondamentale de la tension triphasée sur le bus auxiliaire (18), - une mémoire (70) contenant la définition d'une fonction continue monotone permettant d'associer à chaque fréquence fondamentale mesurée, une consigne de puissance active à délivrer par ce convertisseur auxiliaire, cette fonction étant extrémale pour la fréquence fmin et extrémale inverse pour la fréquence fmax, et - un bloc (32) de régulation apte à asservir la puissance active délivrée par ce convertisseur auxiliaire sur la consigne de puissance active associée à la fréquence fondamentale de la tension triphasée sur le bus auxiliaire (18) par l'intermédiaire de la fonction continue monotone définie dans sa mémoire (70).

2.- Véhicule selon la revendication 1, dans lequel les convertisseurs auxiliaires (14, 16) sont dépourvus de moyens de communication entre eux et/ou aucune ligne de communication ne relie les convertisseurs auxiliaires entre eux.

3.- Véhicule selon la revendication 2, dans lequel la fonction continue monotone définie dans la mémoire (70) de l'un quelconque des convertisseurs auxiliaires est identique à la fonction continue monotone définie dans la mémoire des autres convertisseurs auxiliaires similaires.

4.- Véhicule selon la revendication 2, dans lequel les fonctions continues monotones définies dans les mémoires respectives (70) de convertisseurs auxiliaires différents par leurs performances électriques sont différentes.

5.- Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la fonction continue monotone est décroissante.

6.- Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la différence entre la fréquence fmax et fm;n est inférieure ou égale à 2 Hz.

7.- Convertisseur auxiliaire apte à être mis en oeuvre dans un véhicule conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, ce convertisseur auxiliaire étant apte à délivrer une tension triphasée à une fréquence sensiblement constante sur un bus auxiliaire du véhicule ferroviaire, construite à partir de l'énergie électrique captée par l'intermédiaire d'un pantographe (4), caractérisé en ce que ce convertisseur auxiliaire comporte : - un élément de boucle à verrouillage de phase (62) associée à une horloge (63) propre à mesurer la fréquence fondamentale de la tension triphasée sur le bus auxiliaire (18), - une mémoire (70) contenant la définition d'une fonction continue monotone permettant d'associer à chaque fréquence fondamentale mesurée, une consigne de puissance active à délivrer par ce convertisseur auxiliaire, cette fonction étant extrémale pour la fréquence fm;n et extrémale inverse pour la fréquence fmaX, et - un bloc (32) de régulation apte à asservir la puissance active délivrée par ce convertisseur auxiliaire sur la consigne de puissance active associée à la fréquence fondamentale de la tension triphasée sur le bus auxiliaire (18) par l'intermédiaire de la fonction continue monotone définie dans sa mémoire.

8.- Convertisseur selon la revendication 7, dans lequel : - le convertisseur comporte des capteurs (54-56, 58, 59) de tension et de courant permettant de mesurer la phase de la tension triphasée sur le bus auxiliaire, et - le bloc (32) de régulation comporte un deuxième élément de boucle à verrouillage de phase (78) propre à asservir la phase de la tension triphasée délivrée par le convertisseur auxiliaire sur une consigne de phase E~ , la consigne de phase c étant fonction à la fois : . d'une différence c entre la phase de la tension délivrée par le convertisseur auxiliaire et la phase mesurée de la tension triphasée sur le bus auxiliaire, et . de la consigne de puissance active.

9.- Convertisseur selon la revendication 8, dans lequel le bloc (32) de régulation comporte un régulateur (76) apte à établir un angle de commande aç en fonction de la différence entre la consigne (Ic.s9) de puissance active et la puissance active mesurée à partir des capteurs de tension et de courant, et dans lequel la consigne de phase sc du deuxième élément de boucle à verrouillage de phase (78) est égal à la somme de la différence c et de l'angle de commande ac .

10.- Procédé d'alimentation d'un bus auxiliaire d'un véhicule ferroviaire, ce procédé comportant : - l'alimentation de charges auxiliaires (26-28) connectées au bus auxiliaire, chaque charge auxiliaire étant prévue pour être alimentée par une tension alternative triphasée dont la fréquence est sensiblement constante, c'est-à-dire comprise entre des fréquences fmax et fmin situées autour d'une fréquence nominale fnom de fonctionnement, - la délivrance (120) simultanée par plusieurs convertisseurs auxiliaires d'une tension triphasée à fréquence sensiblement constante sur le bus auxiliaire, cette tension triphasée étant construite à partir de l'énergie captée par l'intermédiaire d'un pantographe, caractérisé en ce que chaque convertisseur auxiliaire : - mesure (134) la fréquence fondamentale de la tension triphasée sur le bus auxiliaire, - établit (136) une consigne de puissance active à l'aide d'une fonction continue monotone prédéfinie associant à chaque fréquence fondamentale mesurée, une consigne de puissance active à délivrer par ce convertisseur, cette fonction étant extrémale pour la fréquence fmin et extrémale inverse pour la fréquence fmax, et - asservit (142) la puissance active délivrée par le convertisseur auxiliaire sur la consigne de puissance active associée à la fréquence fondamentale mesurée par l'intermédiaire de la fonction continue monotone prédéfinie.