FR3003708A1

FR3003708A1 - Chaine de traction a moteur a aimants permanents

Info

Publication number: FR3003708A1
Application number: FR1352663A
Authority: FR
Inventors: Olivier Giacomoni; Guillaume Desportes; Sebastien Belin; David Cypers
Original assignee: Alstom Transport SA
Current assignee: Alstom Transport Technologies SAS
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2014-09-26

Abstract

La chaîne de traction pour un véhicule ferroviaire comporte : - un bus d'alimentation (16) ; - un moteur (12) ; - un onduleur de tension (14) alimentant le moteur (12) - un bras (32) de freinage rhéostatique comportant : - un organe (36) de commutation commandable propre à assurer la connexion d'une résistance de freinage (34) au bus d'alimentation (16) ; - un module (38) de pilotage de l'organe de commutation (36). Elle comporte : - des moyens (60) de stockage d'énergie supplémentaire pour l'alimentation du module (38) de pilotage en cas de défaut d'alimentation ou de non fonctionnement d'une unité centrale (30) de pilotage de la chaîne de traction ; et - des moyens (40, 42) pour forcer la conduction de l'organe de commutation (36) à partir de l'énergie stockée dans les moyens de stockage d'énergie supplémentaire (60).

Description

Chaîne de traction à moteur à aimants permanents La présente invention concerne une chaîne de traction, notamment pour un véhicule ferroviaire comportant : - un bus d'alimentation ; - un moteur à aimants permanents ; - un onduleur de tension alimentant le moteur à aimants permanents et comportant : - un module de hachage comportant un ensemble d'organes de commutation pilotables alimenté depuis le bus d'alimentation ; - un module de pilotage du module de hachage de l'onduleur de tension ; - un bras de freinage rhéostatique comportant : - une résistance de freinage ; - un organe de commutation commandable propre à assurer la connexion de la résistance de freinage au bus d'alimentation ; - un module de pilotage de l'organe de commutation du bras de freinage rhéostatique ; - une unité centrale de pilotage de la chaîne de traction propre à adresser des ordres de commande aux modules de pilotage du module de hachage et de l'organe de commutation ; - une unité de mise en forme de la tension d'alimentation du bras de freinage rhéostatique propre à être alimentée par un réseau d'alimentation. Les chaînes de traction de véhicules ferroviaires, notamment intégrées dans une locomotive de traction, ou dans une rame automotrice comportent plusieurs moteurs de traction. Les moteurs de traction peuvent être des moteurs à aimants permanents. Un équipement assure la mise en forme de la tension d'alimentation de ces moteurs. Cet équipement est couramment un onduleur assurant la délivrance au moteur, généralement à courant triphasé, d'une tension triphasée. Cet équipement de mise en forme est connecté à un bus d'alimentation propre du véhicule. Le bus d'alimentation est lui-même alimenté par la caténaire depuis des moyens de captage de courant et un équipement adaptant la tension de la caténaire à celle du bus d'alimentation si nécessaire. Par ailleurs, la chaîne de traction est couramment équipée d'un ou plusieurs bras de freinage rhéostatique connecté(s) au bus d'alimentation du moteur, alimentés lors des phases de freinage rhéostatique du véhicule, afin de dissiper toute ou partie de l'énergie réintroduite par chaque moteur sur le bus d'alimentation, qui, entraîné par les roues du véhicule et piloter par l'onduleur créent un couple de freinage réintroduisant de l'énergie électrique dans le bus d'alimentation. Le bras de freinage rhéostatique comporte un élément résistif propre à dissiper la puissance électrique et un organe de commutation commandable constitué couramment d'un transistor de type IGBT (acronyme de « lnsulated Gate Bipolar Transistor » en anglais) permettant de contrôler le taux de fermeture du bras rhéostatique pour réguler généralement la tension du bus d'alimentation. L'organe de commutation est piloté par un module de pilotage propre au bras de freinage rhéostatique. En outre, la chaîne de traction comporte une unité centrale de pilotage propre à assurer la commande du module de pilotage intégré dans l'onduleur et du module de pilotage intégré dans le bras de freinage rhéostatique. L'unité de pilotage de la chaîne de traction et les modules de pilotage du bras de freinage rhéostatique et de l'onduleur sont alimentés à partir d'une unité de mise en forme de tension propre à fournir les tensions nécessaires au module de pilotage et aux organes de commutation présents dans le bras de freinage rhéostatique et l'onduleur. En cas de défaillance de l'unité de mise en forme de tension, ou en cas d'absence d'alimentation de celle-ci, les modules de pilotage de l'onduleur et du bras de freinage rhéostatique ne peuvent plus être alimentés. En particulier, les mécanismes normalement prévus pour éviter une tension trop importante aux bornes d'alimentation de l'onduleur résultant du fait que le moteur à aimants permanents se comporte comme un alternateur, ne peuvent plus fonctionner correctement de sorte que des niveaux de tension très élevés peuvent se produire sur le bus d'alimentation, pouvant détériorer les composants connectés au bus ou réduire leur niveau de vie du fait de leur exposition à des surtensions.

Pour lutter contre un problème sur le bus d'alimentation ou un des composants connectés sur le bus, il est connu de disposer un contacteur d'isolement entre l'onduleur et le moteur, ce contacteur étant ouvert pour isoler le bus d'alimentation et les composants connectés à ce bus, de toute source de tension, en cas de dysfonctionnements de ces derniers. Toutefois, ce contacteur d'isolement ne coupe la liaison électrique entre le moteur et l'onduleur qu'après un certain délai, suffisamment long pour ne pas protéger le bus d'alimentation et les composants connectés à ce bus contre les surtensions potentielles dues à une perte d'alimentation des modules de pilotage ou une défaillance de ces derniers. En outre, on connaît des systèmes de limitation de la tension du bus d'alimentation sous l'effet du courant réintroduit par le moteur dans l'onduleur ou du courant provenant de la caténaire. Ces systèmes comprennent des mécanismes visant à établir un court- circuit peu impédant aux bornes du bus d'alimentation lors de la détection d'un niveau de tension trop important sur le bus d'alimentation. Un tel système nécessite l'ajout de composants spécifiques assurant la détection d'une surtension aux bornes d'alimentation de l'onduleur et la mise en court-circuit du bus d'alimentation.

L'invention a pour but de proposer une chaîne de traction permettant d'éviter les surtensions sur le bus d'alimentation de l'onduleur en cas de défaillance de l'alimentation des unités et modules de pilotage de la chaîne de traction. A cet effet, l'invention a pour objet une chaîne de traction caractérisée en ce qu'elle comporte : - des moyens de stockage d'énergie supplémentaire pour l'alimentation du module de pilotage de l'organe de commutation du bras rhéostatique en cas de défaut d'alimentation depuis l'unité de mise en forme de la tension d'alimentation ou de non fonctionnement de l'unité centrale ; et - des moyens pour forcer la conduction de l'organe de commutation du bras rhéostatique à partir de l'énergie stockée dans les moyens de stockage d'énergie supplémentaire depuis le module de pilotage de l'organe de commutation en cas de défaut d'alimentation depuis l'unité de mise en forme de la tension d'alimentation ou de non fonctionnement de l'unité centrale. Suivant des modes particuliers de réalisation, la chaîne de traction comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les moyens pour forcer la conduction de l'organe de commutation du bras rhéostatique à partir de l'énergie stockée dans les moyens de stockage d'énergie supplémentaire comportent un interrupteur commandé normalement fermé au repos en l'absence de commande, lequel interrupteur commandé est interposé entre l'organe de commutation du bras rhéostatique et les moyens de stockage d'énergie supplémentaire ; - les ordres de commande de l'unité centrale et du module de pilotage sont inversés, un ordre de commande actif provenant de l'unité centrale correspondant à une demande d'ouverture de l'interrupteur commandé, un ordre de commande inactif provenant de l'unité centrale correspondant à une demande de fermeture de l'interrupteur commandé ; - les moyens pour forcer la conduction de l'organe de commutation du bras rhéostatique à partir de l'énergie stockée dans les moyens de stockage d'énergie supplémentaire comportent un étage de commande de l'interrupteur commandé, lequel étage de commande est relié pour son alimentation aux moyens de stockage d'énergie supplémentaire ; - les moyens pour forcer la conduction de l'organe de commutation du bras rhéostatique à partir de l'énergie stockée dans les moyens de stockage d'énergie supplémentaire sont tels que, en l'absence d'ordre de commande reçu, ils forcent la conduction de l'organe de commutation du bras rhéostatique ; et - les moyens de stockage de l'énergie supplémentaire comportent au moins un condensateur intégré dans le module de pilotage de commande de l'organe de commutation. 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 dessins sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une chaîne de traction selon l'invention. La chaîne de traction 10 représentée sur la figure 1 est une chaîne de traction pour un véhicule ferroviaire, notamment pour une locomotive. En variante, cette chaîne de traction constitue une chaîne de traction pour un véhicule automoteur d'une rame comportant un ou plusieurs tels véhicules automoteurs.

La chaîne de traction 10 comporte un moteur à aimants permanents 12 et à alimentation par une tension triphasée. Le moteur 12 est alimenté au travers d'un onduleur de tension 14 lui-même connecté à un bus d'alimentation en courant continu 16. Ce bus 16 est équipé de moyens de captage de courant 18 constitués d'un pantographe 20 et d'un mécanisme 22 de retour de courant assuré par une roue conductrice mise en contact avec la voie de circulation du véhicule. L'onduleur de tension 14 comporte un module de hachage 24 constitué d'un ensemble d'organes de commutation statiques formés comme connu en soi de six transistors du type IGBT répartis deux à deux montés en série suivant trois branches montées en parallèle et reliées aux bornes du bus d'alimentation. Les trois sorties du module de hachage correspondant aux trois phases sont prises aux points milieux des branches entre les deux transistors IGBT montés en série. Le module de hachage 24 est relié pour la commande de ses organes de commutation à un module de pilotage 26 propre à l'onduleur 14. En outre, un contacteur d'isolement 28 est prévu entre la sortie du module de hachage 24 de l'onduleur et le moteur à aimants permanents 12. Ce contacteur d'isolement 28 est propre à assurer la déconnection électrique du moteur 12 et de l'onduleur 14 dans certaines conditions. Au repos, c'est-à-dire en l'absence de d'ordre de commande, le contacteur d'isolement 28 est ouvert. La chaîne de traction 10 comporte une unité centrale de pilotage 30 comportant une sortie de pilotage du module de pilotage 26 de l'onduleur 14 et une sortie de pilotage du contacteur d'isolement 28.

La chaîne de traction 10 comporte également un bras de freinage rhéostatique 32 connecté sur le bus d'alimentation 16 en parallèle avec l'onduleur 14 d'alimentation du moteur 12. Le bras de freinage rhéostatique 32 comporte comme connu en soi une résistance de freinage 34 constituée par un ou plusieurs éléments résistifs et un organe de commutation commandable 36 propre à assurer le taux de fermeture de la résistance de freinage 34 au bus d'alimentation 16, c'est-à-dire assurer une connexion périodique de la résistance pour que le temps total de connexion ramené à un intervalle de temps donné soit égal au taux de fermeture. L'organe de commutation commandable 36 est formé, par exemple, d'un transistor de type IGBT qui est normalement dans un état bloquant et qui est amené dans un état passant lorsqu'une tension de 15 volts est appliquée sur la grille de commande. Le bras de freinage rhéostatique 32 comporte un module de pilotage 38 propre à assurer la mise sous tension ou non de la grille de l'organe de commutation 36. Ce module de pilotage 38 comporte ainsi un interrupteur commandé 40 propre à assurer la connexion de la grille du transistor 36 à une tension égale à 15 volts. Il comporte en outre un étage de commande 42 de l'interrupteur commandé 40 ainsi qu'un élément de stockage d'énergie 60 tel qu'un condensateur pour filtrer la tension d'alimentation du module de pilotage 38. L'élément de stockage d'énergie 60 est connecté entre la masse et la borne de l'interrupteur commandé 40 connectée à la tension +15 Volts. Le module de pilotage 38 et notamment l'étage de commande 42 sont reliés à l'unité de pilotage 30 pour leur commande. L'étage de commande 42 est propre à inverser l'ordre reçu par l'unité de pilotage 30 pour la commande de l'interrupteur commandé 40. L'unité de pilotage 30 a donc une logique de commande inversée par rapport à l'état de l'organe de commutation commandable 36. Un ordre de commande actif de l'unité de pilotage 30 correspond à une demande d'ouverture de l'interrupteur commandé 40 ; un ordre de commande inactif correspond à une demande de fermeture de l'interrupteur. Au repos, c'est-à-dire sans réception de commande de l'étage de commande 42, l'interrupteur commandé 40 est fermé.

Suivant un premier mode de réalisation, l'interrupteur commandé 40 est formé d'un transistor de type IGBT. Enfin, la chaîne de traction 10 comporte une unité 44 de mise en forme de la tension d'alimentation des modules de pilotage 26 et 38 de l'onduleur et du bras de freinage, ainsi que de l'unité centrale 30 de pilotage de la chaîne de traction.

Ainsi, cette unité 44 de mise en forme est propre, à partir par exemple d'une tension alternative monophasée, à produire des tensions continues de - 12 volts, + 12 volts et + 15 volts, mesurés par rapport à une tension de référence égale à 0 volt. Les modules de pilotage 26 et 38 respectivement de l'onduleur et du bras de freinage sont alimentés par une tension de 24 volts établie entre les sorties - 12 volts, + 12 volts de l'unité 44. Il en est de même de l'unité centrale de pilotage 30.En outre, le module de pilotage 26 et 38 sont reliés à la sortie + 15 volts de l'unité 44 pour la commande des transistors disposés dans le module de hachage 24 et l'organe de commutation 36 du bras rhéostatique 32. Plus précisément, l'interrupteur commandé 40 est interposé entre la sortie + 15 volts et l'organe de commutation 36. De même, le condensateur 60 est relié à cette même sortie. L'étage de commande 42 est reliée également, par des connexions non représentées, aux bornes du condensateur 60 pour son alimentation en cas de défaillance de l'alimentation de l'étage de commande 42 depuis l'unité 44.

L'unité centrale de pilotage 30, et les modules de pilotage 26 et 38 sont programmés, ou conçus de sorte à mettre en oeuvre les logiques de commande décrites dans la suite. La table de vérité qui suit représente les différents états ou états de sortie des entités indiquées dans la première ligne. 30 42 40 36 1 0 0 0 0 1 1 1 X 1 1 1 Où: 0 désigne un ordre inactif à la sortie d'une unité de commande 30 ou 42 ou un état bloquant ou ouvert d'un interrupteur 40 ou 36 ; 1 désigne un ordre actif à la sortie d'une unité de commande 30 ou 42 ou un état passant ou fermé d'un interrupteur 40 ou 36 ; et X désigne une absence d'ordre en sortie de l'unité 30.En cas de fonctionnement satisfaisant de l'alimentation de l'unité 44, et lorsque le moteur 12 est alimenté pour la traction du véhicule, le module de pilotage 26 assure la commande des éléments de commutation du module de hachage 24 pour l'alimentation du moteur 12 à partir d'un courant triphasé, le contacteur d'isolement 28 étant maintenu fermé. Simultanément, l'unité centrale adresse un ordre actif au module de pilotage 38 de sorte que le bras de freinage rhéostatique 32 soit actif. L'étage 42 assure alors un inversion de l'ordre reçu, commandant l'ouverture de l'interrupteur 40 et donc l'état bloqué du transistor 36. Cette situation correspond à la première ligne de la table de vérité. En cas de freinage du véhicule ferroviaire, du courant produit par le moteur à aimants permanents 12 est injecté dans le bus 16.

L'unité centrale 30 commande alors le module de pilotage 38 de sorte que le bras de freinage rhéostatique 32 soit actif A cet effet, il adresse un ordre inactif. Cette situation correspond à la deuxième ligne de la table de vérité. A cet effet, l'étage de commande 42 assure un taux de fermeture non nul de l'interrupteur commandé 40 de sorte qu'une tension de + 15 volts est imposée sur la grille du transistor 36, qui est alors passant provoquant la dissipation de l'énergie produite par le moteur 12 à travers la résistance de freinage 34. En cas de dysfonctionnement de l'unité 44, ou en cas de non alimentation de celle-ci, l'unité centrale de pilotage 30 détecte ce dysfonctionnement via des modules de surveillance interne à l'unité 44. Elle commande alors l'arrêt de l'alimentation du moteur à aimants permanents 12 et simultanément la mise en action continue du bras rhéostatique 32, en adressant un ordre inactif (ligne 2 de la table de vérité). Ainsi, l'unité centrale de pilotage 30 si elle est toujours alimentée, provoque, via l'étage de commande 42, la fermeture de l'interrupteur 40 pour établir une tension de +15 volts à la grille du transistor 36. Le fonctionnement de l'étage de commande 42, et la mise sous tension du transistor 36 est rendu possible grâce à l'énergie électrique stockée dans le condensateur 60 qui assure un fonctionnement du bras de freinage rhéostatique, même en l'absence d'alimentation de l'unité 44. L'unité centrale de pilotage 30 est normalement alimentée par la même alimentation 44. En cas de défaut d'alimentation, l'unité 30 est dans une position de repli dans laquelle plus aucun ordre actif n'est envoyé ni à l'étage de commande 42, ni au contacteur d'isolement 28. Cette situation correspond à la troisième ligne de la table de vérité). Dans ce cas, l'interrupteur commandé 40 se ferme, sous l'action de l'étage 40 encore alimenté par le condensateur 60, et le contacteur d'isolement 28 s'ouvre. L'unité 30 commande ainsi la déconnexion du moteur 12 et de l'onduleur 14 à partir du contacteur d'isolement 28. En cas de non fonctionnement de l'unité centrale de pilotage 30, ou en cas de non alimentation de celle-ci, l'unité centrale de pilotage 30 ne commande plus l'onduleur 14, ne commande plus l'état fermé du contacteur d'isolement 28, et ne commande plus à l'état bloqué l'organe de commutation 36 du bras rhéostatique. L'étage de commande 42, ne recevant plus d'ordre (troisième ligne de la table de vérité), rend alors actif le bras rhéostatique, protégeant le bus d'alimentation et les équipements connectés à ce bus, des surtensions. L'alimentation de l'étage de commande 42 est alors assurée par le condensateur 60, au moyen d'une connexion électrique non représentée. Le fonctionnement, au moins temporaire du bras rhéostatique 32, est assuré par l'énergie stockée dans le condensateur 60, permettant ainsi, avant le déclenchement du contacteur d'isolement 28 que l'énergie réintroduite sur le bus d'alimentation par le moteur à aimants permanents toujours en rotation ne conduise pas à une surtension aux bornes de l'onduleur, surtension qui pourrait provoquer une dégradation de l'onduleur lui-même ou des autres éléments connectés sur le bus d'alimentation. En variante, l'interrupteur commandé 40 est formé non pas d'un transistor de type IGBT mais d'un contacteur commandé par un électroaimant qui est normalement à l'état passant en l'absence d'alimentation, par exemple grace à un ressort de rappel des contacts à l'état fermé. Dans ce cas également, en cas de rupture de l'alimentation ou en cas de dysfonctionnement de l'unité 30, l'interrupteur commandé 40 se ferme conduisant à la mise en action du bras rhéostatique 32, à partir de l'énergie stockée dans le condensateur 60, Dans cette variante, l'alimentation de l'étage 42 par le condensateur 60 est facultative puisque en cas de rupture d'alimentation, l'interrupteur commandé 40 qui n'est alors plus commandé se ferme automatiquement.20

Claims

REVENDICATIONS1.- Chaîne de traction, notamment pour un véhicule ferroviaire comportant : - un bus d'alimentation (16) ; - un moteur à aimants permanents (12) ; - un onduleur de tension (14) alimentant le moteur à aimants permanents (12) et comportant : - un module de hachage (24) comportant un ensemble d'organes de commutation pilotables alimenté depuis le bus d'alimentation (16) ; - un module (26) de pilotage du module de hachage (24) de l'onduleur de tension (14) ; - un bras (32) de freinage rhéostatique comportant : - une résistance de freinage (34) ; - un organe (36) de commutation commandable propre à assurer la connexion de la résistance de freinage (34) au bus d'alimentation (16) ; - un module (38) de pilotage de l'organe de commutation (36) du bras de freinage rhéostatique (32) ; - une unité centrale (30) de pilotage de la chaîne de traction propre à adresser des ordres de commande aux modules de pilotage (26, 38) du module de hachage (24) et de l'organe de commutation (36) ; - une unité (44) de mise en forme de la tension d'alimentation du bras (32) de freinage rhéostatique propre à être alimentée par un réseau d'alimentation ; caractérisé en ce qu'il comporte : - des moyens (60) de stockage d'énergie supplémentaire pour l'alimentation du module (38) de pilotage de l'organe de commutation (36) du bras rhéostatique (32) en cas de défaut d'alimentation depuis l'unité (44) de mise en forme de la tension d'alimentation ou de non fonctionnement de l'unité centrale (30) ; et - des moyens (40, 42) pour forcer la conduction de l'organe de commutation (36) du bras rhéostatique à partir de l'énergie stockée dans les moyens de stockage d'énergie supplémentaire (60) depuis le module de pilotage (38) de l'organe de commutation (36) en cas de défaut d'alimentation depuis l'unité (44) de mise en forme de la tension d'alimentation ou de non fonctionnement de l'unité centrale (30).
2. - Chaîne de traction selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens (40, 42) pour forcer la conduction de l'organe de commutation (36) du bras rhéostatique à partir de l'énergie stockée dans les moyens de stockage d'énergie supplémentaire (60) comportent un interrupteur commandé (40) normalement fermé au repos en l'absence de commande, lequel interrupteur commandé (40) est interposé entrel'organe de commutation (36) du bras rhéostatique et les moyens de stockage d'énergie supplémentaire (60).
3. - Chaîne de traction selon la revendication 2, caractérisée en ce que les ordres de commande de l'unité centrale (30) et du module de pilotage (38) sont inversés, un ordre de commande actif provenant de l'unité centrale (30) correspondant à une demande d'ouverture de l'interrupteur commandé (40), un ordre de commande inactif provenant de l'unité centrale (30) correspondant à une demande de fermeture de l'interrupteur commandé (40).
4.- Chaîne de traction selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que les moyens (40, 42) pour forcer la conduction de l'organe de commutation (36) du bras rhéostatique à partir de l'énergie stockée dans les moyens de stockage d'énergie supplémentaire (60) comportent un étage de commande (42) de l'interrupteur commandé (40), lequel étage de commande (42) est relié pour son alimentation aux moyens de stockage d'énergie supplémentaire (60).
5.- Chaîne de traction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens (40, 42) pour forcer la conduction de l'organe de commutation (36) du bras rhéostatique à partir de l'énergie stockée dans les moyens de stockage d'énergie supplémentaire (60) sont tels que, en l'absence d'ordre de commande reçu, ils forcent la conduction de l'organe de commutation (36) du bras rhéostatique.
6.- Chaîne de traction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de stockage de l'énergie supplémentaire comportent au moins un condensateur (60) intégré dans le module de pilotage (38) de commande de l'organe de commutation (36).