Traction ferroviaire 1re partie

Evolution des choix technologiques de ces 30 dernires annes Influence des composants de llectronique de puissance sur les choix technologiques

Sil est un domaine la pointe du progrs dans lutilisation des technologies les plus avances, dans le domaine de llectrotechnique et de llectronique de puissance, cest bien le secteur de la traction ferroviaire.

En effet, les motrices (dont les motrices lectriques) utilises par la SNCF, ont toujours intgres les dernires innovations de llectronique, de llectronique de puissance et des machines tournantes.

De plus, il faut savoir, que la dure de vie dun matriel de traction dpasse les 35 ans. Ces machines parcourent allgrement les 5 millions de kilomtres avant dtre reformes. Il en dcoule des conditions de service de ce matriel relativement svres. Les machines de traction subissent un service quasi continu et doivent tre performantes et endurantes. Leur maintenance a, quant elle, non seulement un cot important financirement, mais galement un cot d son immobilisation (il faut remplacer la motrice car la SNCF narrte pas ses activs frets ou voyageurs pendant ce temps de maintenance).

Il rsulte de tout cela un cahier des charges complexe, lors de la commande de nouveau matriel. Les critres les plus importants sont :

- La performance (qui doit tre la plus leve possible) - Le cot de la maintenance - Une conception qui ne risque pas de tomber rapidement en dsutude - Le prix

Un document de la direction du matriel de la SNCF, (le dlicat problme des choix technologiques en matire de traction) nous donne une bonne synthse sur lvolution des technologies utilises des annes 1970 1990. Nous verrons par la suite comment les gros progrs de llectronique de puissance (apparition et fiabilisation des GTO de forte puissance, puis enfin la gnralisation de IGBT) a compltement chang le paysage de llectrotechnique, et les modifications qui en ont dcoul dans le secteur de la traction ferroviaire (Eurostar, motrice dernire gnration type Prima 6000 , ou encore les projets de motorisation du futur AGV automoteur grande vitesse).

I - Apparition du thyristor

I-1 Introduction

La fin des annes 60 a vu la mise en service des CC6500. Ces machines (rcemment reformes en fin 2005 / dbut 2006) de forte puissance, taient architectures autour de moteurs courant continu, sans systme convertisseur base de composants dlectronique de puissance. Elles circulaient sur le rseau 1500V DC. Au dmarrage, le MCC tait coupl en srie. pleine vitesse, ctait un couplage shunt qui tait utilis. La vitesse variait, en fonction des crans de traction (41 au total), qui jouaient sur le couplage et sur une mise en srie dlments rsistifs.

Inutile de dire que le rendement, en labsence de convertisseur, tait loin dtre optimal. Ce systme, nanmoins, tait fiable et somme tout performant, vis--vis des caractristiques que lon souhaitait atteindre lpoque.

Cependant, avec larriv des premiers composants (diodes et thyristors) de puissance, qui permettent de commuter des courants importants, et supportant des tensions inverses consquentes, des motrices ont t quipes, titre exprimental, de MCC pilots par des hacheurs thyristors. Ces essais ont abouti, partir de 1973, la mise en service de prototypes de forte puissance (suprieure 4 MW). Les rsultats plus de prometteurs, de ces engins exprimentaux, ont permis la SNCF de sorienter vers ce type de matriel. Ainsi, nombre de locomotives de puissance, partir de cette date, ont t quipes de hacheurs thyristors. Les formules bicourants (1.5kV DC et 25kV AC 50Hz) tant quipes, en amont du hacheur, dun ensemble transformateur + redresseur type pont mixte. On retrouve parmi les modles conus sur ce type darchitecture les BB15000 ( courant monophas), BB7200 ( courant continu), BB22200 (bi courant) , les TGV SE, les lments automoteurs, type Z8100 (interconnexion RAPT/SNCF) ou Z2N (automoteur continu ou bicourant, 2 niveaux).

Avant de dtailler la structure lectrique des chanes de traction utilises et leur principe de fonctionnement, nous pouvons noter les avantages quont apport lutilisation des thyristors dans locomotive Electriques. Ainsi, selon M. DUPUY (directeur du matriel de la SNCF), dans son avant propos larticle Les locomotives lectriques BB 7200 et BB 22200 de la SNCF (crit par M. BOILEAU, ingnieur en chef la direction du matriel et chef du dpartement Constructions traction lectrique), les avances significatives apport par les thyristors portent sur les points suivants :

- Sur les engins thyristors, la variation des grandeurs lectriques permettant la bonne exploitation dun train, passe principalement par une action sur les circuits lectroniques de commande de gchette, au lieu de la mise en mouvement dappareils mcaniques (graduateur, contacteur). Les quipements deviennent statiques (convertisseurs statiques).

- Cela permet principalement la finesse et la continuit des rglages, la rapidit des actions et des protections, une meilleure fiabilit, une diminution des cots dentretien.

- On limine les rhostats de dmarrage et de shuntage. - Un systme simplifi pour les motrices bicourants, qui avant lavnement du thyristor

navaient aucun matriel commun, en amont du moteur (avec lobligation de juxtaposer 2 quipements continu & monophas en cherchant un compromis entre performance/masse/encombrement).

I-2 Les locomotives thyristors BB15000/BB7200/BB22200

Caractristiques Nombre de moteur : 2 ( courant continu denviron 2.2 MW chacun)

Puissance en rgime continu : 4.4 MW ( vitesse de dfinition) et 4.6 MW ( vitesse maxi) Vitesse maximale : 180 km/h

Masse par essieu : 22.3 t (BB15000) ; 21.2 t (BB7200) ; 22.6t (BB22200) Caractristique effort vitesse : Cf. figure suivante

Avantages par rapport aux anciens systmes - rglage continu de la tension et du champs sur les moteurs de traction - freinage lectrique, avec rglage continu de leffort - freinage rhostatique - antipatinage rapide avec modification de langle de conduction des thyristors - protection ultra rapide en cas de dfaut dans les circuits de puissance pendant la

traction, par blocage des thyristors

schma du circuit de puissance de la BB7200

description On retrouve sur ces engins :

- des hacheurs pour le rglage de la tension moteur - des thyristors de drivation pour le rglage du champ - un systme de freinage rhostatique

En partant du pantographe, les principaux organes sont : - un filtre HF constitu de 2 selfs air de 5 H et de deux capacits de 5 F - un disjoncteur principal ultra rapide - un filtre passe bas comprenant une inductance de 2 mH et un bloc de capacit de 8 mF - des contacteurs de ligne - 6 hacheurs lmentaires thyristors (cf. schma et principe de fonctionnement ci

aprs) - un dispositif de shuntage - le systme de freinage rhostatique - 2 dispositifs de limitation de tension, composs dun thyristor en srie avec une

rsistance et une inductance

schma dun hacheur lmentaire

Un hacheur lmentaire (il y en a 6, qui sont pilots une frquence de 300Hz, et qui fonctionnent de faon entrelace vue de la catnaire la frquence de lensemble est donc de 1800 Hz ou de 900 Hz quand un seul des deux moteurs tractionne) comprend :

- des semi-conducteurs rapides (8 thyristors principaux et 4 dinversion supportant une tension inverse de 1200V, un courant moyen de 400A, avec un temps de recouvrement de 25s 4 thyristors dextinction, supportant eux 1400 V / 300 A avec un temps de recouvrement de 40s 6 diodes de dversement ou de roue libre, supportant 2500V en inverse, 400A avec un temps de recouvrement trs faible de 2s)

- 3 selfs de limitation des di/dt (2 en srie avec les thyristors principaux et une dans le circuit dextinction)

- une self de lissage en srie avec le moteur - une self dinversion et une capacit dextinction (cf. fonctionnement ci aprs) - une sonde effet Hall pour la mesure du courant

schma du circuit de freinage

schma du circuit de puissance de la BB7200

Cet engin reoit, en plus par rapport la BB7200, un transformateur principal, un redresseur principal (RM) compos en ralit de 40 diodes 2800V / 500A et la capacit (CAP FL) du filtre passe bas est port 28 mF au lieu de 8 sur la BB7200. Le reste est identique ce qui est dcrit prcdemment pour la motrice courant continu.

II - Les choix technologiques en 1984

II-1 Introduction

Lorsquil devient ncessaire de procder dimportantes commandes de matriel moteur, le problme qui se pose systmatiquement est celui darrter les choix techniques qui permettront de mettre en service un matriel qui soit :

- le plus performant possible, - dun faible cot de maintenance, - dune conception qui ne risque pas de tomber rapidement en dsutude, - dun prix le plus faible possible.

Pour guider ses choix, la SNCF dispose de rsultats dexprimentation dengins prototypes, mais elle sattache reconduire chaque fois certains lments dont le comportement est dj bien matris.

En lespace dune dizaine dannes, la SNCF a t amene prendre de trs importantes dcisions en matire de conception dengins moteurs et nous voquerons ci-aprs deux tapes fondamentales dans ces choix techniques.

- le choix technique de 1973 qui a introduit le hacheur en traction courant continu ou bicourant mais a reconduit le moteur collecteur, - le choix technique de 1984 qui a introduit le moteur sans collecteur (synchrone et asynchrone) aliments par onduleur de courant en reconduisant lalimentation, bien connue, par hacheur (ou ponts mixtes).

Les remarquables rsultats des essais des engins exprimentaux hacheurs de grande puissance dterminaient la Direction du Matriel de la SNCF adopter ce type dquipement pour Les futurs engins moteurs construire.

La formule bicourant (1500 V courant continu, 25 kV 50 Hz) se dduisait immdiatement de celle courant continu, par adjonction, en tte du schma, dun ensemble transformateur redresseur (pont mixte) dlivrant une tension rgule constante aux bornes du filtre principal des hacheurs.

Les autres sries dengins moteurs ont t construits suivant cette formule - lments automoteurs bicourant Interconnexion SNCF RATP Z 8100,

soit 370 automotrices de 1400 kW - lments automoteurs, deux niveaux, courant continu et bicourant,

Z2N, soit 200 automotrices de 1400 kW - rames automotrices TGV V max. 270 km/h (104 rames bicourant et 7

rames tricourant (1)

II-2 Les engins prototypes

Aprs des exprimentations sur engins exprimentaux, diverses ralisations de prototypes moteurs sans collecteur ont t lances partir de 1979, cest--dire aprs ltude et la mise en service des locomotives hacheurs et des rames TGV Paris Sud-Est. Les exprimentations, la SNCF, en matire de traction moteurs sans collecteur ont port sur toutes les formules quil est possible denvisager, savoir

- moteurs asynchrones aliments par onduleurs de tension thyristors, - moteurs synchrones autopilots aliments par onduleurs de courant thyristors, - moteurs asynchrones aliments par onduleurs de courant thyristors.

Rappelons trs succinctement les particularits de chacune de ces formules :

Moteurs asynchrones aliments par onduleurs de tension thyristors. Dans ce cas, les onduleurs thyristors commutation force qui assurent le rglage,

la fois, de la tension et de la frquence, fournissent un rseau de tensions triphases damplitude et de frquence variables qui permettent de rgler la vitesse des moteurs asynchrones de traction.

Ces onduleurs thyristors comportent des circuits oscillants (inductances, condensateurs, thyristors auxiliaires) mme dassurer lextinction des thyristors principaux. Le freinage lectrique de scurit est difficile obtenir. Cette transmission a t applique la locomotive prototype courant monophas BB 10003 dune puissance de 5000 kW.

Moteurs synchrones autopilots aliments par onduleurs de courant thyristors. Le fonctionnement de ce type de moteur est tout fait comparable celui dun moteur

. courant continu dans lequel linduit serait devenu fixe (stator) et linducteur tournant. Le rglage de la tension est assur par ponts mixtes en monophas et par hacheur en continu ou par la combinaison des deux en formule bicourant. Londuleur dalimentation du moteur est constitu ici par six bras de simples thyristors. La commutation du courant dun bras donduleur vers un autre bras se produit naturellement sous laction des forces lectromotrices du moteur. Aux trs basses vitesses, il est cependant ncessaire dapporter une aide la commutation ; mais les dispositifs sont trs simples et de trs faible masse. Le fonctionnement du freinage lectrique de scurit ne pose, par contre, ici, aucun problme. Cette transmission a t applique la locomotive prototype courant monophas BB 10004 dune puissance de 5600 kW.

Moteurs asynchrones aliments par onduleurs de courant thyristors. Dans cette chane de traction, comme dans le cas prcdent, les fonctions rglage de

tension et rglage de frquence sont dissocies. Le rglage de tension est assur comme dans les systmes traditionnels par hacheur (ou pont mixte). La frquence est rgle par londuleur de courant. Le moteur asynchrone ntant pas capable dassurer la commutation naturelle du courant, il faut lui adjoindre des auxiliaires dassistance la commutation (condensateurs, inductances, diodes) qui interviennent dans toute la gamme des vitesses de lengin, contrairement ce qui se passe avec la transmission synchrone. Nanmoins, malgr les inconvnients de masse quelle peut prsenter, cette transmission reste beaucoup plus simple que la toute premire (celle qui est onduleurs de tension). Dans ce cas encore, le freinage lectrique de scurit est difficile obtenir. Cette transmission a t applique lautomoteur bicourant prototype . 2 niveaux Z 8895 de 1400 kW.

II-3 Rsultats de ces exprimentations Locomotive BB 10003 courant monophas. 5000 kW ;V max 160 km/h ; 35000 daN au dmarrage, 4 moteurs asynchrones aliments par onduleurs de tension thyristors modulation de largeur daim pulsion. Ces moteurs quipent un nouveau type de bogie bimoteur (CL93). Le schma de principe des circuits de puissance de cette locomotive et sa caractristique effort-vitesse sont donns ci-dessous. Ce prototype a t mis au point pendant lanne 1985 au cours dessais sur trains de voyageurs et sur trains de marchandises. Toutefois, malgr - un gain de masse denviron 2,3 tonnes par bogie (bimoteur CL 93) par rapport au bogie classique des BB 15000 - 7200 - 22200, - un gain de masse de 4 tonnes sur la masse des moteurs de traction (2,6 t x 4 = 10,4 t au lieu de 7,2 t x 2 = 14,4 t) toujours par rapport . la formule classique BB 15000 - 7200 - 22200, limportance de lquipement lectrique conduit, avec la conception de caisse actuelle, une masse totale de locomotive de 91 tonnes. Certes, des gains de masse sont encore possibles grce de nouvelles conceptions de caisse et dquipement lectrique entre autres, en ce qui concerne les inductances de phase des moteurs. Dans cette formule moteurs asynchrones onduleurs de tension thyristors, lquipement lectrique est fort complexe (320 composants de puissance, 1400 kg de condensateurs, environ 2000 kg dinductances) et il ne sagit, encore, ici que dune locomotive mono-courant.

La version bicourant, indispensable pour le service la SNCF, apparat, dans ltat actuel de la technique, impossible raliser dans la masse limite de 90 tonnes. Toutefois, les caractristiques des nouveaux composants de puissance (thyristors extinction par la gchette, GTO), permettaient dj denvisager la ralisation donduleurs de tension de grande puissance avec de substantiels gains de masse par rapport aux onduleurs de tension thyristors dont lobsolescence se confirme. La Socit ALSTHOM proposa trs rapidement la transformation de lquipement thyristors de la BB 10003 en quipement GTO. Il devrait en rsulter un gain de lordre de 5 tonnes sur la masse de la locomotive.

Locomotive BB 10004 courant monophas masse 84 tonnes ; 5600 kW ; Vmax 200 km/h ; 32000 daN au dmarrage, 2 moteurs synchrones autopilots aliments par onduleurs de courant et bogies monomoteurs.

Le convertisseur dalimentation du moteur est dune extrme simplicit. Il ne fait intervenir que des thyristors aux performances trs classiques. La masse des condensateurs auxiliaires, ncessaires pour assurer la commutation des onduleurs aux trs faibles vitesses, ne dpasse pas 70 kg (pour lensemble de la locomotive). La mise au point de cette locomotive a t trs rapide et les rsultats dessais en ligne ont mis en vidence, ds 1982, de faon clatante, les remarquables qualits de cette chane de traction. La ralisation dengins bicourants de puissance (locomotives, motrices TGV) ne paraissait pas devoir poser de problme particulier. Automotrice de banlieue Z2N 8895 4 moteurs asynchrones aliments par onduleurs de courant (1400 kW, 140 km/h). Ce prototype a t mis en service en mai 1985.

II-3 Les raisons des choix de la SNCF Ds 1983 se posait, pour la SNCF, la question du choix de type de motorisation

retenir pour des engins moteurs dont les commandes devaient tre notifies court terme. Il sagissait

- dune nouvelle srie de locomotives bicourant (1,5 kV courant continu, 25 kV 50 Hz) de grande puissance de plus de 5000 kW aptes tous servi ces les BB 26000. - de la nouvelle gnration de rames trs grande vitesse pour la des serte TGV Atlantique rames TGV-A. - et des futures automotrices deux niveaux Z2N.

Locomotives BB 26000 Pour la motorisation de cette srie de locomotives les diverses formules possibles ont

t examines. Tout dabord, en raison de lentire satisfaction que procure, en service, le bogie monomoteur des BB 15000 - 7200 - 22200, ce type de bogie a t maintenu. Quant au choix de la technique de motorisation on est parvenu aux conclusions suivantes - le moteur collecteur ne pouvait pas tre retenu. En effet, en raison du programme de traction assurer trains de voyageurs Vmax 200 km/h, trains de marchandises lourds sans utilisation dun changement de rapport dengrenages, le volume et la masse du moteur de traction (environ 10 tonnes) rendaient ce projet de locomotive bicourant irralisable. - le moteur asynchrone aliment par onduleur de tension tait cart pour des raisons de complexit et de masse dquipement. La formule de la locomotive bicourant tait irralisable. De surcrot le freinage de scurit (en labsence de tension ligne) tait trs difficile obtenir. - le moteur synchrone autopilot aliment par onduleur de courant permettait par contre de concevoir dans la masse totale de 89 t une telle locomotive universelle bicourant avec la caractristique F (V) indique la figure 9 (Puissance 6000 kW, quipuissance maintenue de 40 % de Vmax Vmax, 32000 daN au dmarrage). Cette caractristique constituait bien lenveloppe de celles des 3 sries de locomotives actuellement utilises la SNCF pour assurer lensemble du service

BB 7200 et BB 22200, V max 160 km/h pour service mixte BB 7200, Vmax 100 km/h pour service marchandises BB 22200, Vmax 200 km/h pour trains rapides

Lobtention du freinage lectrique de scurit ne posait en outre aucun problme. La version moteur asynchrone aliment par onduleur de courant avait t galement prise en considration pour la ralisation de ce type de locomotive, mais, par rapport la formule prcdent il fallait compter un supplment de masse de 1,3 tonnes et le freinage lectrique de scurit tait, ici encore, difficile obtenir.

En dfinitive, la solution de motorisation synchrone a t retenue pour des raisons - de masse, - de simplicit dquipement (la figure 10 fait apparatre lvolution de la composition des quipements dlectronique de puissance), - et de prix.

En effet, le supplment de prix de la locomotive BB 26000, bicourant, dune puissance de 6000 kW caractristiques de service universel voyageurs-marchandises nest que de quelques % du prix des locomotives BB 22200 moteur courant continu collecteur. Outre un surcrot de puissance de pratiquement 40 % par rapport . celle de ces dernires, les BB 26000 offrent des dispositions nouvelles trs apprciables

- groupes auxiliaires motoventilateurs vitesse variable, motocompresseur, motopompes huile moteurs asynchrones triphass aliments par onduleurs de tension transistors ou GTO - refroidissement par flugne bouillant (fron R113) de lensemble des semi conducteurs de puissance - commande microprocesseurs - conjugaison complte du frein lectrique et du frein pneumatique.

Deux engins de prsrie BB 20011 et 20012 ont t utiliss pour la mise au point dfinitive de la chane de traction bicourant, de la commande microprocesseur et des auxiliaires moteurs asynchrones vitesse variable. La BB 20012 est plus prcisment destine la mise au point du nouveau systme de freinage pneumatique avec conjugaison des freins lectrique et pneumatique.

Motrices bicourant TGV-Atlantique En 1982, les premires tudes des motrices des rames TGV Atlantique avaient t menes dans le cadre de la reconduction de la formule de motorisation du TGV-PSE mmes moteurs collecteur aliments par ponts mixtes ou hacheurs thyristors. Grce au profil de la Ligne Nouvelle Atlantique, avec des rampes denviron 15 %0 seulement, contre 35 %0 sur Paris-Sud-Est, il tait possible de concevoir ces rames avec simplement 4 bogies moteurs (2 par motrice) et de porter leur composition de 8 10 remorques. La suppression dun bloc moteur permettait linstallation, en motrice, du convertisseur des auxiliaires tout en respectant limpratif de 17 tonnes par essieu. La totalit de lespace des remorques se trouvait libre pour linstallation des voyageurs. Mais la puissance de ces motrices, environ 2200 kW, (soit 4400 kW pour la totalit de la rame) nautorisait que des performances modes tes. Il ntait pas possible datteindre, en palier, la vitesse de 270 km/h. Ltude de lapplication dune transmission moteurs synchrones autopilots, entreprise fin 1983, montrait quil tait dj possible, toujours sans dpasser la charge de 17 tonnes par essieu, de confrer chacune de ces motrices la puissance de 800 kW x 4 = 3200 kW tout en conservant, en motrice, le hacheur abaisseur des auxiliaires et le dispositif de compensation des harmoniques et de relvement du facteur de puissance (pratiquement gal lunit). La

vitesse maximale de 300 km/h pouvait ds lors tre soutenue sans difficult sur la ligne nouvelle Atlantique. En outre, en raison des efforts permis au dmarrage, la valeur maximale des rampes pouvait tre releve 25 %0, procurant ainsi de substantielles conomies sur les travaux de gnie civil. Mais des tudes complmentaires ont permis de dfinir les moteurs de traction pour une puissance en rgime continu de 1100 kW soit 4400 kW par motrice et 8800 kW pour la rame. Il faut souligner que lon dispose dune marge de scurit trs importante pour pratiquer leffort de dmarrage qui stablit environ 3 fois la valeur de leffort au rgime continu. En effet, au rgime continu, lchauffement du moteur (rotor et stator) ne dpasse pas 130C alors que lisolation aux rsines sans solvant applique ces moteurs autorise un chauffement de 250C. Il faut galement mentionner ici une qualit supplmentaire de la transmission par moteurs synchrones. Grce au dispositif de la commutation assiste dune masse de 30 kg par quipement de bogie moteur,il est possible de dvelopper dans la plage 0 - 60 km/h, un effort de traction environ 3 fois plus lev que celui du rgime continu avec des valeurs de courant peine deux fois plus grandes. La figure 11 met en vidence lvolution des caractristiques efforts-vitesses des rames TGV-A avec celle des diverses tudes de motorisation. En dfinitive, malgr un tel accroissement de performances, la charge par essieu reste toujours infrieure . 17 tonnes. Les lments suivants permettent dapprcier lavantage apport par la motorisation synchrone dans laquelle, la place du moteur collecteur, vient se substituer le moteur synchrone associ . son onduleur et . ses auxiliaires dexcitation et de commutation assiste.

Avec un supplment de masse de seulement 30 kg, il est ainsi possible, avec la transmission moteurs synchrones, dobtenir :

- une puissance double - et des efforts de dmarrage 1,70 fois plus levs ( mme Vmax 300km/h) que ceux de la transmission . moteurs collecteur.

Il a t toutefois procd une valuation de lapplication de moteurs asynchrones aux motrices TGV A

- Moteurs asynchrones aliments par onduleurs de tension thyristors. Comme pour les locomotives, cette formule na pas t retenue pour des raisons de masse et de complexit. - Moteurs asynchrones aliments par onduleurs de courant. Cette formule a t tudie dans lhypothse dune puissance de 3200 kW par motrice. Elle conduit . un supplment de masse de prs dune tonne par motrice par rapport la formule moteurs synchrones autopilots.

Elle prsente, en outre des difficults pour la ralisation du freinage de scurit absolument indispensable dans le cas prsent en raison des vitesses pratiques. Enfin, lment capital souligner, le prix de la motorisation synchrone des motrices TGV-A est pratiquement gal celui de la motorisation moteur courant continu PSE bien quelle offre une puissance 40 % plus leve et des dispositions nouvelles trs apprciables.

Automotrices de banlieue Cas des automotrices de banlieue bicourant Z2N deux niveaux Les lments automoteurs deux niveaux Z2N courant continu et bicourant sont

quips jusquici de moteur courant continu col lecteur aliments par hacheur. Cet quipement confre ces automotrices de banlieue dexcellentes performances. Mais le succs de lexprimentation de lautomotrice Z2N 8895 a conduit mener une rflexion sur le type de motorisation appliquer aux commandes futures de ce type de matriel. Lapplication de moteurs sans collecteur sur les automotrices Z2N ne fait pas intervenir les mmes motivations que celles qui ont conduit la conception des locomotives BB 26000 et des automotrices TGVA. Dans ces deux applications, lutilisation de moteurs sans collecteur tait un impratif absolu pour obtenir les performances souhaites tant en traction quen freinage lectrique. Dans le cas prsent, les performances assurer par la transmission moteur sans collecteur ne sont pas plus ambitieuses que celles des automotrices actuellement en service. Par contre, puissance gale et pour une mme dfinition de cette puissance, une transmission moteur asynchrone onduleur de courant apporte, par rapport la formule moteurs collecteur, un gain de masse apprciable. Cela est particulirement intressant dans la conception de lautomotrice Z2N. Il permet dabandonner certaines technologies onreuses (telles que transformateur et inductances cl H refroidies, huile silicone, etc...) quil avait t indispensable dadopter pour viter de dpasser la masse maximale par essieu de lautomotrice dans la variante bicourant.

Pour ces postes, le retour des conceptions classiques procure des conomies et le prix de la chane de traction moteurs asynchrones onduleurs de courant stablit au mme niveau que celui de la transmission moteurs collecteur. En outre, comme pour les locomotives BB 26000 et comme pour les automotrices TGV A les nouvelles motrices Z2N prsentent des avantages complmentaires :

- lectronique de puissance en enceintes refroidies au flugne bouillant (fron R 113), - commande microprocesseurs, - schma moteurs asynchrones et onduleurs de courant coupls en srie vitant toute contrainte dentretien en ce qui concerne les diamtres de roues.

Dans le cas prsent, il a t galement procd une valuation de lapplication dautres systmes de motorisation.

La transmission par moteurs asynchrones aliments par onduleurs de tension na pas t retenue en raison de sa complexit, de sa masse et des contraintes dentretien imposes par des moteurs coupls en parallle sur un mme onduleur de tension par quipement de bogie moteur.

Quant la formule . moteurs synchrones autopilots, elle posait le problme du redimensionnent du convertisseur des auxiliaires. Celui-ci doit, en effet, dans ce cas, fournir la puissance dexcitation en plus de la puissance des auxiliaires classiques (ventilation de lquipement, ventilation de la caisse, charge de batterie, alimentation du groupe motocompresseur). Ce redimensionnent conduisait une nouvelle tude de convertisseur do des supplments dtude et des modifications dans lquipement lectrique de lautomotrice.

Enfin laspect scurit du freinage lectrique ne simposait absolument pas pour des automotrices de banlieue dont la vitesse maximale ne dpasse pas 140 km/h et pour lesquelles le seul freinage pneuma tique suffit assurer les distances darrt sans apporter de contraintes thermiques excessives aux roues des motrices.

Dailleurs, dans tous les cas o la tension ligne est prsente, le freinage lectrique par rcupration suffit assurer le freinage des motrices sans faire intervenir le freinage pneumatique. Et, en service banlieue, la rcupration dnergie est pratiquement toujours possible en raison de la prsence en ligne de consommateurs (autres circulations fonctionnant en traction).

Pour lensemble de ces raisons et la suite des excellents rsultats des essais en ligne de la Z2N 8895, la SNCF command une srie dlments automoteurs Z2N dont les motrices sont quipes de moteurs asynchrones aliments par onduleurs de courant (136 motrices).

III La rvolution des IGBT et les volutions suivantes

Dans un second article, nous verrons la rvolution qua engendr lapparition des IGBT, bien plus fiables que les GTO. La standardisation des structures lectrotechnique des motrices de traction (par exemple de la gamme Prima dAlsthom), avec en tte, les redresseurs commande MLI, fonctionnant aussi en hacheur lvateur (en courant alternatif, le redresseur MLI permet davoir un facteur de puissance trs proche de 1, et en courant continu, le secondaire du transformateur est utilis pour stocker lnergie, le convertisseur dentre fonctionnant alors en hacheur). Ensuite on retrouve le bus continu, qui dans certains cas na mme plus besoin dtre filtr, suivi dun onduleur et dune machine Asynchrone. Dans les projets dAlsthom, on retrouve galement, pour rpondre aux prochains appels doffre de la SNCF, des automotrices grande vitesse (apte un service commercial 350 km/h) motorisation repartie. Ces automotrices utiliseront certainement de nouveaux moteurs synchrones de forte puissance, aimants permanents, dont la conception a t rendue possible avec les progrs raliss ces dernires annes dans le secteur des aimants permanents. Toutes ces volutions seront traites prochainement dans un nouvel article.