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Locomotive diesel-électrique
La présente invention concerne une locomotive diesel-électrique du type
comportant:
- un moteur diesel,
- un alternateur accouplé mécaniquement pour son entraînement au moteur diesel
et relié en sortie à un bus à courant continu au travers d'un redresseur,
- au moins un moteur électrique de traction relié au bus au travers d'un
onduleur
de traction,
- au moins un équipement auxiliaire à alimentation électrique, alimenté
depuis le
moteur diesel,
- pour l'alimentation du ou de chaque équipement auxiliaire, une chaîne de
mise
en forme du courant reliée en entrée au bus à courant continu, laquelle chaîne
de mise en
forme du courant comporte un onduleur auxiliaire dont la sortie est connectée
à l'entrée
d'un transformateur élévateur,
caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de commutation de secours
propres à relier sélectivement la chaîne de mise en forme du courant à la
sortie d'un
onduleur de traction et l'onduleur de traction comporte des moyens de pilotage
pour
assurer une production d'un courant identique à celui produit normalement par
l'onduleur
auxiliaire.
Le terme locomotive diesel-électrique désigne une locomotive dont la
propulsion
est assurée par plusieurs moteurs électriques, l'énergie électrique alimentant
les moteurs
étant fournie par un moteur diesel alimenté en fuel lourd et entraînant un
alternateur.
Dans de telles locomotives, l'alternateur alimente au travers d'un redresseur
un
bus de courant continu auquel sont connectés les différents moteurs
électriques de
traction de la locomotive par l'intermédiaire d'onduleurs.
La locomotive comporte par ailleurs des équipements auxiliaires, tels que des
ventilateurs de refroidissement ou des compresseurs qui, suivant le cas, sont
soit reliés
mécaniquement directement à l'arbre du moteur diesel, soit alimentés depuis un
alternateur qui leur est propre, cet alternateur étant entraîné par le moteur
diesel.
Dans les deux cas, la vitesse de fonctionnement des équipements auxiliaires
est
directement liée à la vitesse de rotation du moteur diesel.
En conséquence, afin de permettre un fonctionnement satisfaisant de ces
équipements auxiliaires lors des phases de fonctionnement en freinage
électrique de la
locomotive ou d'arrêt de celle-ci, il est nécessaire de maintenir le moteur
diesel à un
régime suffisamment élevé. Ceci conduit à une consommation importante de fuel
lourd
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la
pour l'alimentation de la locomotive.
L'invention a pour but de proposer une locomotive diesel-électrique permettant
de
réduire la consommation en fuel.
A cet effet, l'invention a pour objet une locomotive diesel-électrique du type
précité, caractérisée en ce qu'elle comporte, pour l'alimentation du ou de
chaque
équipement auxiliaire, une chaîne de mise en forme du courant reliée en entrée
au bus à
courant continu.
Suivant des modes particuliers de réalisation, la locomotive comporte l'une ou
plusieurs des caractéristiques suivantes :
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- la chaîne de mise en forme du courant comporte un onduleur auxiliaire dont
la
sortie est connectée à l'entrée d'un transformateur élévateur ;
- la locomotive comporte des moyens de commutation de secours propres à relier
sélectivement la chaîne de mise en forme du courant à la sortie d'un onduleur
de traction
et l'onduleur de traction comporte des moyens de pilotage pour assurer une
production
d'un courant identique à celui produit normalement par l'onduleur auxiliaire ;
- les moyens de commutation de secours sont propres à relier l'entrée du
transformateur élévateur à la sortie de l'onduleur de traction ;
- la locomotive comporte des moyens de commutation propres à assurer la
déconnexion de l'onduleur auxiliaire de l'entrée du transformateur élévateur
lorsque le
transformateur élévateur est relié à l'onduleur de traction au travers des
moyens de
commutation de secours ; et
- la locomotive comporte au moins un hacheur rhéostatique de freinage disposé
entre le bus à courant continu et le ou chaque onduleur de traction.
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 à la figure unique
qui est une
vue schématique du circuit électrique d'une locomotive diesel-électrique selon
l'invention.
La locomotive diesel-électrique 10 schématisée sur la figure comporte comme
connu en soi un moteur diesel 12 alimenté par du fuel lourd et des moteurs
électriques de
traction 14, ici au nombre de six.
En outre, la locomotive comporte des équipements auxiliaires tels que par
exemple un ventilateur 16 et un compresseur 18.
L'arbre de sortie du moteur 12 est relié mécaniquement à un alternateur 20
propre
à produire un courant triphasé alimentant un redresseur 22 constitué d'un pont
de diodes
22A. Les deux sorties du pont de diodes alimentent, en courant continu, un bus
26 dont la
tension varie de 600V à 1800V en fonction de la vitesse de rotation du moteur
diesel 12.
Un condensateur de lissage 28 avec une résistance 30 de décharge montée en
parallèle est prévu entre les deux bornes de sortie du redresseur 22, ainsi
qu'un capteur
32 de mesure de la tension aux bornes du bus continu 26.
Les moteurs de traction 14 sont chacun alimentés par un onduleur propre de
traction 34 à IGBT. Chaque onduleur 34 est constitué de trois branches,
chacune
constituée de deux interrupteurs monodirectionnels 35 connectés en série. Ces
trois
branches sont reliées entre les deux entrées continues de l'onduleur. Les
trois sorties
pour le courant triphasé de l'onduleur sont prises entre les deux
interrupteurs
monodirectionnels 35 de chaque branche.
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Chaque interrupteur monodirectionnel est formé comme connu en soi d'un
transistor IGBT et d'une diode montée en anti-parallèle.
Chaque onduleur 34 est équipé d'une unité de commande 36 propre à commander
les interrupteurs monodirectionnels 35 suivant par exemple une loi de
modulation à
largeur d'impulsions afin d'alimenter le moteur de traction associé 14 afin
qu'il fournisse
une puissance requise. Pour alléger le dessin, seules certaines unités de
commande 36
sont illustrées.
Les entrées des onduleurs de traction 34 sont reliées en parallèle par trois
au bus
continu 26 par l'intermédiaire de deux branches d'alimentation 37 munies de
deux
interrupteurs de sectionnement 38, chacun monté en série avec une inductance
de
découplage 40 elle-même montée en parallèle d'une résistance 42.
Deux condensateurs 46 sont prévus en entrée des onduleurs de traction 34 d'un
même groupe de moteurs.
En outre, pour chaque groupe de moteurs, un hacheur rhéostatique 50 propre à
assurer un freinage électrique est prévu entre les deux branches 37 du réseau
d'alimentation.
Comme connu en soi, chaque hacheur 50 comporte, entre les deux branches
d'alimentation 37, un ensemble de résistances de décharge 52 monté en
parallèle d'une
diode 54, et relié en série avec un interrupteur monodirectionnel 56. Cet
interrupteur
monodirectionnel est constitué d'un transistor IGBT monté en anti-parallèle
avec une
diode.
Le transistor IGBT est relié à un circuit de commandes 60 propre à appliquer
une
loi de commande permettant de commander l'énergie dissipée dans les
résistances 52
lors du freinage de la locomotive, les onduleurs 34 étant alors pilotés depuis
les unités 36
pour recevoir de l'énergie électrique des moteurs de traction 14.
Un capteur de tension 62 est prévu entre les deux branches d'alimentation 36.
Les équipements auxiliaires 16, 18 sont reliés au travers d'une chaîne
d'alimentation 80 directement au bus continu 26. Cette chaîne comporte un
convertisseur
statique 82 constitué d'un onduleur auxiliaire à IGBT identique aux onduleurs
de traction
34 comportant comme précédemment un condensateur de charge 84 associé en
parallèle
à une résistance de décharge 86.
Deux interrupteurs de sectionnement 86 relient l'onduleur au bus continu 26 au
travers d'une inductance de découplage 88 montée en parallèle avec une
résistance 90.
Un capteur de tension 92 est prévu à l'entrée de l'onduleur 82.
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La sortie de l'onduleur 82 est reliée à un transformateur élévateur 98
triphasé au
travers d'un contacteur triphasé 100, Le transformateur élévateur 98 a un
rapport de
transformation supérieur à 1 et notamment compris entre 1 et 3.
Le transformateur élévateur 98 alimente en sortie un réseau d'alimentation
triphasé 101 de type industriel ayant par exemple une tension efficace de 480
V et une
fréquence de 60 Hz.
Trois condensateurs d'équilibrage 102 sont disposés entre les phases du bus
d'alimentation 101 en sortie du transformateur.
Les transistors IGBT de l'onduleur 82 sont pilotés par un circuit de commande
103
propre à assurer une tension égale à 480V et 60Hz sur le réseau triphasé
d'alimentation
des charges auxiliaires. Le bus d'alimentation 101 est équipé de deux capteurs
de tension
continue 104, 106 reliés au bus par deux ponts redresseurs à diodes 104A,
106A.
Le capteur 104 est relié au circuit de commande 103 et ce dernier assure le
pilotage des transistors à partir de la tension mesurée pour assurer une
régulation.
La présence du transformateur élévateur 98 permet d'atteindre une telle
tension,
même lorsque le moteur 12 est au ralenti et que la tension sur le bus continu
est égale à
600V.
Une dérivation 120 assure la connexion entre la sortie d'un onduleur de
traction 34
d'alimentation d'un moteur de traction 14 et l'entrée du transformateur
élévateur 98. Cette
dérivation est équipée d'un contacteur triphasé de secours commandables 122.
De
même, trois interrupteurs commandables 124 sont prévus entre le moteur de
traction 14
considéré et la dérivation 120.
Les interrupteurs 100, 122 et 124 sont commandés par une unité de pilotage 126
afin que les interrupteurs 100 et 124 soient dans un même état et que les
interrupteurs
100, 124, d'une part, et 122, d'autre part, soient dans des états opposés, de
sorte que la
sortie de l'onduleur de traction 34 ne soit reliée qu'à l'un du transformateur
98 et du
moteur de traction 14 et que les onduleurs 82 et 34 ne se retrouvent jamais
sur le même
réseau triphasé.
L'unité 126 est reliée à l'unité de commande 36 de l'onduleur 34 pour faire
que,
lorsque la sortie de l'onduleur de traction 34 est reliée au transformateur
élévateur 98,
l'unité de commande 36 de l'onduleur applique une loi de commande adaptée pour
obtenir sur le réseau 101 une tension de 480 V sous une fréquence de 60 Hz. A
cet effet,
le capteur 106 est relié à l'unité de commande 36 afin que cette dernière
assure une
régulation de la tension sur le bus 101 en commandant les transistors par une
loi de
commande adaptée, c'est-à-dire une loi de commande identique à celle du
circuit de
commande 103, si les onduleurs 34 et 82 sont identiques.
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Le moteur diesel 12 est relié à une unité de commande 200 assurant son
pilotage
et notamment le régime du moteur en fonction des besoins en puissance
électrique
globaux.
Ainsi, lorsque la locomotive est à l'arrêt, ou en phase de freinage, l'unité
200 est
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assurer une alimentation minimale du moteur 12 en fuel pour que celui-ci soit
au
ralenti. La vitesse de rotation du moteur 12 n'est augmentée par injection de
plus de fuel
sous la commande de l'unité 200 que lors des phases de traction par les
moteurs 14.
On comprend que, lors du fonctionnement normal de la locomotive, alors que le
moteur diesel 12 est à pleine puissance, l'énergie électrique obtenue en
sortie du
redresseur 22 est utilisée à la fois pour alimenter les moteurs 14 et les
charges
auxiliaires16, 18.
Lors des phases d'arrêt ou de roue libre de la locomotive, alors que le moteur
12
est maintenu au ralenti, l'énergie électrique fournie par le moteur 12 est
suffisante pour
alimenter les charges auxiliaires 16, 18, lesquelles sont alimentées avec une
tension et
une fréquence constante de 480V/60Hz, indépendamment de la vitesse de rotation
du
moteur grâce à l'utilisation du convertisseur statique 82 et du transformateur
élévateur 98.
Lorsque le véhicule circule, et qu'il se trouve dans une phase de freinage,
les
hacheurs rhéostatiques 50 sont mis en oeuvre pour dissiper l'énergie
réintroduite par les
moteurs 14 au travers des onduleurs 34.
Dans ces conditions de fonctionnement, une partie de l'énergie réinjectée par
les
moteurs 14 est utilisée par le convertisseur statique 82 disposé en parallèle
des hacheurs
rhéostatiques 50 pour alimenter les équipements auxiliaires 16, 18 au travers
du
transformateur élévateur 98 de sorte que le moteur 12 est placé au ralenti,
limitant ainsi
sa consommation en énergie fossile.
L'ensemble de ces modes de fonctionnement permet d'améliorer la consommation
d'énergie fossile, réduisant celle-ci de 3 à 4,5% suivant le cycle de
fonctionnement. En
particulier, celle-ci est réduite de 3,2% pour un cycle AAR (Amercian
Association of
Railroad).
La présence des groupes d'interrupteurs 100, 122, 124 et de la dérivation 120
permet, en cas de disfonctionnement du convertisseur statique 82, d'assurer
l'alimentation des équipements auxiliaires 16, 18 par l'intermédiaire d'un
onduleur de
traction 34, permettant ainsi à la locomotive d'achever sa mission, même si le
moteur 14
normalement alimenté par l'onduleur 34 qui alimente alors les équipements
auxiliaires
n'est plus en fonction.
