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Les convertisseurs sur les rails Une nouvelle génération de convertisseurs basse tension IGBT pour la traction ferroviaire Peter Dähler, Gerold Knapp, Armando Nold Quand vous voyagez en Suisse, vous apercevez sans nul doute des auto- motrices fabriquées par le construc- teur de matériel ferroviaire Stadler Rail. Parmi celles-ci, les rames régio- nales de type FLIRT et GTW méritent une mention spéciale pour leur niveau de performance et de confort, parti- culièrement apprécié des exploitants et des passagers. Or rares sont ceux qui savent que la réussite de ces engins ferroviaires est en partie due aux convertisseurs basse tension CC750 ® développés et fournis par ABB. Quels que soient le mode de propul- sion, diesel ou électrique, et la ten- sion d’alimentation, ce convertisseur compact et polyvalent fournit le ni- veau de tension et de fréquence re- quis aux moteurs de traction de mê- me qu’aux auxiliaires (éclairage, frei- nage, etc.). Le convertisseur CC750 ® d’ABB met en œuvre les modules de semi-conducteurs de dernière géné- ration et un contrôleur programmable à hautes performances. Transport Revue ABB 3/2006 52

Transport Les convertisseurs sur les rails - … · Transport Revue ABB 3/2006 53 Les convertisseurs sur les rails E n traction ferroviaire, un conver-tisseur adapte l’énergie

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Les convertisseurs sur les railsUne nouvelle génération de convertisseurs basse tension IGBT pour la traction ferroviairePeter Dähler, Gerold Knapp, Armando Nold

Quand vous voyagez en Suisse, vous apercevez sans nul doute des auto-motrices fabriquées par le construc-teur de matériel ferroviaire Stadler Rail. Parmi celles-ci, les rames régio-nales de type FLIRT et GTW méritent une mention spéciale pour leur niveau de performance et de confort, parti-culièrement apprécié des exploitants et des passagers. Or rares sont ceux qui savent que la réussite de ces engins ferroviaires est en partie due aux convertisseurs basse tension CC750® développés et fournis par ABB.

Quels que soient le mode de propul-sion, diesel ou électrique, et la ten-sion d’alimentation, ce convertisseur compact et polyvalent fournit le ni-veau de tension et de fréquence re-quis aux moteurs de traction de mê-me qu’aux auxiliaires (éclairage, frei-nage, etc.). Le convertisseur CC750® d’ABB met en œuvre les modules de semi-conducteurs de dernière géné-ration et un contrôleur programmable à hautes performances.

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Les convertisseurs sur les rails

En traction ferroviaire, un conver-tisseur adapte l’énergie fournie

depuis la caténaire (ligne électrique aérienne) aux niveaux de tension et de fréquence requis par le moteur de traction à la vitesse et au couple dési-rés. Le convertisseur CC750® d’ABB équipe les rames automotrices FLIRT1) [1,2] et GTW2) du constructeur Stadler Rail 1 exploitées par de nombreux opérateurs, notamment les Chemins de fer fédéraux suisses (CFF). Il ali-mente également les auxiliaires com-me l’éclairage, le freinage, la climati-sation, la ventilation et le chauffage. Pour ce faire, il utilise des modules basse tension de semi-conducteurs IGBT3) de dernière génération et un contrôleur programmable très rapide AC 800PEC (décrit dans le précédent numéro de la Revue ABB [3]). Dans cet article, nous nous intéressons au convertisseur lui-même.

Un système de conversion CC750 compact associe un transformateur d’entrée, deux convertisseurs de trac-tion intégrant les convertisseurs de puissance et le chargeur de batterie, et un contrôleur AC 800PEC [4] d’ABB 2 . Le CC750® est adapté aux tensions de caténaire les plus courantes, no-tamment 15 kV/16,7 Hz, 25 kV/50 Hz et 3 kV continu, et peut combiner dif-férents systèmes d’alimentation pour le trafic transfrontalier. Des configura-tions à deux ou quatre convertisseurs par rame existent pour une puissance à la jante de 1,3 MW ou 2,6 MW. Les convertisseurs peuvent être montés à

l’intérieur de la caisse, sur la toiture ou sous le châssis.

Une technologie de commande avan-cée permet d’exploiter les convertis-seurs sans circuit résonant série dans le bus continu, pour une chaîne de traction beaucoup plus légère.

A chaque convertisseur son armoireLe système CC750® se distingue notamment par le fait que chaque convertisseur est monté dans sa pro-pre armoire pour le protéger des vibrations 3 . Le convertisseur refroidi à l’eau est enfermé dans une armoire à circulation forcée d’air interne et échangeur thermique air/eau. L’étage de commande est monté sur un rack pivotant pour faciliter l’accès à l’étage de puissance.

Les condensateurs du bus continu 4 sont placés directement derrière les modules IGBT, formant une batterie de condensateurs de faible inductan-ce. Les raccords pour l’eau de refroi-dissement de même que l’interface de commande avec l’automotrice se trouvent sur la partie supérieure du convertisseur.

Semi-conducteurs des convertisseurs de tractionLes convertisseurs compacts sont des appareils robustes qui incluent des IGBT de dernière génération. Chaque appareil comporte un module de puis-sance PEBB (PowerPak 4 Power Elec-tronics Building Block). A la fois le

convertisseur côté réseau et le conver-tisseur côté moteur intègrent les semi-conducteurs et les commandes de gâchette. Côté réseau, deux modules de puissance raccordés en parallèle sont nécessaires pour gérer le courant maximal. Par contre, côté moteur, un seul module de puissance est prévu par phase.

L’alimentation triphasée de 50 kVA est entièrement protégée des surcharges et des courts-circuits et fournit une tension de sortie sinusoïdale peu déformée.

Les deux onduleurs couvrent l’ensem-ble du domaine de vitesse avec pilota-ge par MLI (modulation de largeur d’impulsion) standard utilisant une fréquence de porteuse de 2 kHz. La distorsion des courants de phase sinu-soïdaux à la fois côté réseau et côté moteur est très faible 5 .

En cas de transitoires rapides (ex., décollement du pantographe), un circuit limiteur de tension restreint la tension du bus continu à 800 V.

Bus continu sans filtre accordéContrairement aux convertisseurs monophasés modernes, aucun filtre accordé n’est monté sur le bus conti-nu. Pour absorber les fluctuations de

1 Renforcer l’attrait et les performances du transport ferroviaire régional avec des automotrices légères et modernes : a rame FLIRT2) des Chemins de fer fédéraux suisses (CFF) et b rame GTW3) de l’exploitant THURBO (Thurgau-Bodensee Bahn), toutes deux équipées du convertisseur de puissance CC750® d’ABB.a b

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Les convertisseurs sur les rails

2 Système de conversion de la rame THURBO GTW avec deux convertisseurs CC750® fournissant au total 1,3 MW de puissance de traction.

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a pantographe (caténaire 15 kV, 16 2⁄3 Hz)b disjoncteur principalc transformateurd et e convertisseurs de puissance CC750®

f enroulement auxiliaire du transformateur pour le chauffage du traing onduleur réseau (entrée 390 V)

h bus CC (750 V)i onduleur de traction (480 V/0–170 Hz,

750 kVA de puissance de traction)j et k moteurs de traction asynchronesl alimentation auxiliaire triphasée

(50 kVA/3 × 400 VCA)m chargeur de batterie (12 kW/36 VCC)n hacheur de freinage

tension du réseau monophasé, la capacité du bus continu a été nette-ment renforcée afin de conserver une ondulation de tension même à pleine charge. Du fait de la densité de cou-rant élevée des condensateurs électro-lytiques du bus continu, le coût et le volume de ses constituants sont très inférieurs à une solution standard avec filtre accordé.

Protection sur défaut d’un semi-conducteurSi une capacité élevée du bus continu 4 contribue à stabiliser sa tension, elle pose des défis nouveaux en ma-tière de protection contre les courts-circuits. Un blocage sur désaturation spontanée, solution fréquemment utilisée de nos jours pour remédier à la défaillance d’un semi-conducteur, ne peut empêcher la mise en court-circuit du bus continu en cas de circulation de courant dans la phase connectée (côté réseau ou moteur) du

semi-conducteur défectueux. Un dé-faut grave dans un IGBT, court-circui-tant la totalité du bus continu, se pro-duira en cas de défaillance du deuxiè-me interrupteur du demi-pont suite à la formation d’arcs et aux fortes tran-sitoires de tension. Par conséquent, des mesures supplémentaires sont requises pour prévenir toute dégrada-tion mécanique importante de l’IGBT et des équipements avoisinants dans ce type de situation.

Le blocage sur détection de désatura-tion fut la première solution retenue en cas de défaillance d’un IGBT qui entraîne la mise en court-circuit d’un interrupteur du demi-pont. Ce blocage n’intervient que si le courant de court-circuit de la phase connectée est faible (ex., défaillance d’un IGBT d’un convertisseur auxiliaire ou d’un convertisseur côté moteur pour autant que le moteur fonctionne à vitesse et couple réduits).

Plutôt que d’attendre le déclenche-ment du disjoncteur, un détecteur de court-circuit identifie le défaut en quelques microsecondes et le signale au système de commande qui réagit en conséquence. Ainsi, on évite une explosion importante avec dégrada-tion de la structure mécanique du système en limitant le défaut à l’inter-rupteur en cause, sans rupture du boîtier du semi-conducteur.

En cas de défaillance grave d’un IGBT, seul le semi-conducteur défec-tueux ainsi que les fusibles et le thyristor de protection du bus continu 6 doivent être remplacés, composants bon marché et faciles à remplacer grâce à leur facilité d’accès.

Ce système de protection offre plu-sieurs avantages : aucune incidence sur les pièces avoisinantes (maintien du dépôt de matériau conducteur des surfaces isolantes) simplifiant égale-ment le nettoyage ultérieur, réduction

3 L’étage de commande du CC750® pivote pour accéder à l’étage de puissance.

4 Condensateurs du bus continu : si les conden-sateurs haute densité renforcent à la stabilité opérationnelle, la plus grande quantité d’éner-gie emmagasinée exige des précautions.

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Les convertisseurs sur les rails

du temps de réparation du fait de l’accès aisé aux composants à rempla-cer, renforcement limité ou supprimé des parois et des mesures au plasma des canaux simplifiant encore plus les dispositions constructives sans com-promettre la sécurité des passagers et, pour finir, forte réduction de l’impact sonore d’une défaillance grave d’un semi-conducteur.

Alimentations auxiliairesLes alimentations auxiliaires étant intégrées à l’armoire principale, le CC750® constitue un système d’ali-mentation complet de la chaîne de traction et des auxiliaires de l’automo-trice. Les alimentations auxiliaires sont directement fournies par le bus continu de traction principale et utilisent le même type de semi-conducteurs et le même système de protection que la traction principale. Ce partage du gros bus continu avec les convertisseurs principaux signi-fie que les coupures brèves de l’ali-mentation de la caténaire n’affectent en rien le fonctionnement des ali-mentations auxiliaires.

L’alimentation triphasée 50 kVA est entièrement protégée des surcharges et des courts-circuits, et fournit une tension de sortie sinusoïdale peu déformée.

Le chargeur de batterie 12 kW recharge la batterie 200 Ah de la rame et peut aisément être adapté à différents algorithmes de chargeur de batterie. Il alimente également l’alimentation du réseau 36 V de la rame pour les fonctions telles que commande du véhicule, des portes, de l’éclairage, etc.

L’épreuve du terrainPar l’extrême stabilité de la structure de commande et la capacité élevée du bus continu, le système a démontré sa

Bibliographie

[1] Peter Bruderer Stadler Rail Bussnang, Description of FLIRT train, Railvolution 4/2004 pages 58–72

[2] Steffen Obst, Ruedi Beutler, Der FLIRT – das Resultat hoher Kundenanforderungen, Eisenbahntechnishe Rundschau, 12/2005 pages 767–771

[3] Armin Eichmann, Andreas Vollmer, « Embarquement immédiat – AC 800PEC : plate-forme de commande multi-applicative. Des trains encore plus rapides »,

Revue ABB 2/2006 p. 26–28

[4] Ernst Johansen, « Flots de conception : coconception de la plate-forme de contrôle-commande avancé AC 800PEC », Revue ABB 2/2006 p. 62–65

Notes1) Flinker Leichter Innovativer Regional Triebzug : nouveau train régional rapide et léger2) Gelenktriebwagen : automotrice articulée3) Transistor bipolaire à grille isolée

5 La modulation MLI à 2 kHz minimise la distorsion des courants réseau a et moteur b (mesurée à la vitesse de 50 km/h et à 80 % du couple moteur).

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6 Un court-circuit dans le bus continu peut provoquer des dégâts considérables. Systè-me de protection c.c. avec IGBT, jeu de barres et détection rapide des courts-circuits

grande fiabilité, même en cas de dé-collement du pantographe ou de voies en mauvais état. De même, le système de protection du convertisseur a prou-vé son efficacité pour éviter la dété-rioration de l’armoire du convertisseur en cas de défaillance des semi-conducteurs. Toutefois, la fiabilité de ces derniers doit continuer de pro-gresser pour répondre aux exigences croissantes de performances et de dis-ponibilité des clients.

La fréquence de commu-tation élevée des IGBT autorise une stratégie simple de modulation MLI.

L’utilisation de modules basse tension à IGBT de dernière génération a per-mis de concevoir un convertisseur compact et économique pour les rames automotrices. La fréquence de commutation élevée des IGBT autori-se une stratégie simple de modulation MLI sans transition complexe entre les différents modes de modulation. Le système de commande est configuré avec une nouvelle plate-forme « mai-son » à base de circuits FPGA et pro-grammable en MATLAB®/Simulink®. Ces outils avancés [3] permettent de développer des logiciels de qualité, facilement modifiables même en cours d’exploitation.

Peter Dähler

Gerold Knapp

Armando Nold

ABB Switzerland Ltd

Turgi (Suisse)

[email protected]

[email protected]

[email protected]