Drives de traction électrique
Définition
Un entraînement qui utilise l'énergie électrique pour se propulser en avant est appelé un entraînement de traction électrique. L'une des principales applications d'un entraînement électrique est le transport de personnes et de marchandises d'un endroit à un autre. Les entraînements de traction sont principalement classés en deux types : l'entraînement de traction monophasé AC et l'entraînement de traction DC.
Services de traction électrique
Les services de traction électrique peuvent être largement classés comme suit :
Trains électriques
Trains de ligne principale
Trains suburbains
Bus, tramways et trolleybus électriques
Véhicules alimentés par batterie et énergie solaire
Voici une explication détaillée de ces services de traction électrique.
Trains électriques
Les trains électriques, qui circulent sur des rails fixes, sont subdivisés en trains de ligne principale et trains suburbains.
Trains de ligne principale
Dans ces trains, l'énergie est fournie au moteur de deux manières : soit par une ligne aérienne dans un locomotive électrique, soit via un groupe électrogène diesel dans une locomotive diesel.
Dans une locomotive électrique, le moteur de traction est logé à l'intérieur de la locomotive elle-même. Une ligne de transmission aérienne est installée à côté ou au-dessus de la voie ferrée. Un collecteur de courant, équipé d'une bande conductrice, est monté sur la locomotive. Cette bande conductrice glisse le long du conducteur d'alimentation, maintenant ainsi le contact électrique entre l'alimentation en énergie et la locomotive. Le conducteur d'alimentation est communément appelé fil de contact. Pour assurer une connexion fiable entre le collecteur de courant et le fil d'alimentation, des câbles caténaires et des fils suspendus sont utilisés.
Dans les trains à grande vitesse, un collecteur pantographe est utilisé. De forme pentagonale, cette conception unique lui donne son nom. Le collecteur comporte une bande conductrice qui est fermement pressée contre le fil de contact à l'aide de ressorts. Généralement fabriquée en acier, cette bande conductrice joue un rôle crucial pour maintenir une pression constante entre elle et le fil de contact. Cette pression constante est essentielle pour éviter les oscillations verticales, assurant une connexion électrique stable et fiable lorsque le train à grande vitesse voyage à des vitesses rapides. Cette connexion stable est vitale pour l'alimentation continue en énergie des systèmes électriques du train, permettant un fonctionnement fluide et efficace.
Une alimentation monophasée est installée le long de toute la voie ferrée. Le courant électrique pénètre dans la locomotive via le collecteur. Il passe ensuite par le bobinage primaire d'un transformateur abaisseur et retourne à la terre de l'alimentation en énergie à travers les roues de la locomotive. Le bobinage secondaire du transformateur d'alimentation fournit de l'énergie au modulateur de puissance, qui à son tour entraîne le moteur de traction. De plus, la sortie secondaire du transformateur alimente les dispositifs auxiliaires tels que les ventilateurs de refroidissement et les systèmes de climatisation.
Trains suburbains
Les trains suburbains, également connus sous le nom de trains locaux, sont conçus pour des trajets de courte distance. Ces trains s'arrêtent fréquemment à des intervalles relativement proches. Pour améliorer les performances d'accélération et de décélération, les trains suburbains intègrent des voitures motorisées. Cette configuration augmente la proportion du poids du train supportée par les roues motrices par rapport au poids total du train.
Chaque voiture motorisée est équipée d'un système d'entraînement électrique et d'un collecteur pantographe. Généralement, les voitures motorisées et non motorisées sont utilisées dans un rapport de 1:2. Pour les trains suburbains de haute puissance, ce rapport peut être augmenté à 1:1. Les trains composés de voitures motorisées et de remorques sont appelés trains à unités multiples électriques (EMU). Le mécanisme d'alimentation en énergie pour les trains suburbains est similaire à celui des trains de ligne principale, avec une exception notable : les trains souterrains suburbains.
Les trains souterrains utilisent un système d'alimentation en courant continu (CC). Ce choix est principalement dû au fait que les systèmes d'alimentation CC nécessitent moins de clearance entre le conducteur d'alimentation et la carrosserie du train. De plus, les systèmes CC simplifient la conception du modulateur de puissance, réduisant à la fois sa complexité et son coût. Contrairement aux trains de surface, les trains souterrains n'utilisent pas de lignes aériennes de transmission. Au lieu de cela, l'énergie est fournie soit par les rails de roulement, soit par des conducteurs installés sur un côté du tunnel.
Bus, tramways et trolleybus électriques
Ces types de véhicules électriques présentent généralement une conception de voiture à un seul moteur. Ils tirent leur énergie de lignes aériennes basse tension CC installées le long de la route. Étant donné les faibles exigences en courant, le mécanisme de collecte de courant consiste souvent en une tige dotée d'une roue cannelée à son extrémité, ou en deux tiges connectées par un arc de contact. Le système de collecteur est conçu pour être très flexible et comprend un conducteur supplémentaire pour faciliter le retour du courant électrique, assurant ainsi une alimentation en énergie stable et continue pour le fonctionnement du véhicule.
Les tramways sont un type de véhicule à propulsion électrique qui circule sur des rails et se compose généralement d'une voiture à un seul moteur. Dans certains cas, deux ou plusieurs voitures remorques non motorisées sont attachées pour augmenter la capacité de passagers. Leur système de collecte de courant est comparable à celui des bus électriques. Notamment, le chemin de retour du courant électrique peut être établi par l'un des rails. Comme les tramways circulent sur des rails fixes, leurs itinéraires le long de la route sont prédéfinis, offrant un service de transport fiable et constant.
Les trolleybus sont principalement utilisés pour le transport de matériaux dans les mines et les usines. Ces véhicules circulent principalement sur des rails et partagent de nombreuses similitudes avec les tramways, la principale différence résidant dans leur forme physique.
Caractéristiques importantes des entraînements de traction électrique
Les caractéristiques clés des entraînements de traction électrique sont élaborées ci-dessous
Exigence de couple élevé : Les entraînements de traction doivent générer un couple substantiel pendant les phases de démarrage et d'accélération pour propulser la masse importante du véhicule. Cette demande de couple élevé garantit que le train ou tout autre véhicule de traction puisse surmonter l'inertie et atteindre la vitesse souhaitée de manière efficace.
Alimentation monophasée AC en traction AC : Pour des raisons économiques, une alimentation monophasée est couramment utilisée dans les systèmes de traction à courant alternatif (AC). Ce choix aide à réduire les coûts liés à l'infrastructure, à la production d'énergie et à la distribution, rendant l'exploitation globale plus rentable financièrement.
Fluctuations de tension : L'alimentation en énergie dans les systèmes de traction électrique subit des fluctuations de tension significatives. Ces fluctuations sont particulièrement prononcées lorsque la locomotive passe d'une section d'alimentation à une autre, entraînant souvent des discontinuités momentanées. Ces variations de tension peuvent poser des défis à l'exploitation stable de l'équipement de traction et nécessitent une conception et des stratégies de contrôle soignées pour atténuer leurs effets.
Interférences harmoniques : Les systèmes de traction AC et DC injectent des harmoniques dans la source d'énergie. Ces harmoniques peuvent interférer avec les lignes téléphoniques et les systèmes de signalisation voisins, causant potentiellement des perturbations à l'infrastructure de communication et de signalisation. Des mesures de filtrage et d'atténuation adéquates sont essentielles pour minimiser cette interférence et assurer le bon fonctionnement de ces services critiques.
Systèmes de freinage : Les entraînements de traction reposent principalement sur le freinage dynamique, qui convertit l'énergie cinétique du véhicule en mouvement en énergie électrique, soit dissipée sous forme de chaleur, soit réinjectée dans le réseau électrique. De plus, des freins mécaniques sont utilisés lorsque le véhicule est à l'arrêt pour fournir des capacités de freinage et de maintien fiables, assurant la sécurité dans toutes les conditions de fonctionnement.
Cycle de fonctionnement des entraînements de traction électrique
Le cycle de fonctionnement d'un entraînement de traction électrique peut être efficacement compris grâce à l'analyse des courbes vitesse-temps et des diagrammes puissance-couple-temps. Considérons un entraînement de traction opérant entre deux gares consécutives sur une voie plane. Au départ, le train accélère en utilisant le couple maximal atteignable. Pendant cette phase d'accélération, la consommation d'énergie de l'entraînement augmente linéairement avec la vitesse croissante, reflétant l'énergie nécessaire pour surmonter l'inertie et propulser le véhicule en avant.
Au temps t1, l'entraînement de traction atteint sa vitesse de base, et simultanément, la puissance maximale autorisée est atteinte. Par la suite, l'accélération se poursuit sous un régime de puissance constante. À mesure que la vitesse continue d'augmenter pendant cette phase, le couple et l'accélération diminuent progressivement.
Au temps t2, le couple de l'entraînement devient égal au couple de charge, à ce stade, une vitesse constante est atteinte. Le processus d'accélération de 0 à t2 peut être divisé en deux étapes distinctes. De 0 à t1, l'accélération est caractérisée par un couple constant, où l'entraînement applique une force rotative constante pour rapidement augmenter la vitesse. Ensuite, de t1 à t2, l'accélération se produit sous un régime de puissance constante. Ici, à mesure que la vitesse augmente, l'entraînement sacrifie le couple pour maintenir la puissance de sortie fixe, résultant en une diminution progressive du taux d'accélération jusqu'à l'équilibre avec le couple de charge à t2.
Entre le temps t2 et t3, le train maintient une vitesse constante tout en fonctionnant à une puissance d'entraînement stable. Cette période est appelée phase de roulement libre. Durant cette phase, le train glisse en douceur le long de la voie, la force motrice étant précisément équilibrée avec les forces de résistance, assurant un mouvement constant et efficace.
Lorsque le moment approprié arrive au temps t4, le système de freinage est engagé. Cette action initie un processus de décélération contrôlé, réduisant graduellement la vitesse du train jusqu'à ce qu'il s'arrête finalement à la gare suivante, prêt à servir la prochaine vague de passagers ou à transporter sa cargaison vers la destination prévue.
