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GENERALITES

Sur les locomotives CC 6500 et CC 21000, il y a la possibilité de faire fonctionner les moteurs en génératrice pour le freinage rhéostatique. Le courant de freinage est réglé par le conducteur en agissant sur la valeur de l'excitation des moteurs. Il faut donc disposer d'une source de courant que l'on peut facilement contrôler.

Cette source de courant sera établie d'après la tension caténaire, qui est une source d'énergie pratique, mais comme le freinage doit pouvoir fonctionner aussi lorsque la tension caténaire a disparu (freinage secours), on utilisera alors une batterie prévue spécialement. Il convient donc d'entretenir cette batterie en état de fonctionnement permanent, c'est-à-dire chargée. Cette charge sera assurée par la tension caténaire.

La batterie d'alimentation des circuits basse tension pose aussi, habituellement de nombreux problèmes de charge.
Sur ces machines, la charge batterie est aussi réalisée par la tension caténaire, car le circuit classique de charge par retour des ventilateurs ne peut être utilisée

Mais la tension caténaire est de 1500 V continu et dans le cas des charges de batteries, on doit avoir 30 et 72 V, et pour le courant inducteur, la tension varie évidemment avec le courant demandé. Comme il ne peut être question de transformateur, on utilise un convertisseur continu-continu.

Présentation mécanique - Disposition
vue avant du CVS
vue arrière du CVS
position du CVS dans la locomotive
Position du CVS dans la locomotive

Sur les locomotives CC 21000, la place disponible étant moins importante que sur les locomotives CC 6500, le convertisseur a été divisé en trois parties:
- l'ensemble filtre est du coté de la cabine 1;
- la partie onduleur et sont transformateur sont installés coté cabine 2 (figures ci-dessous).
l'encombrement des blocs est indiqué.

 implantation dans la CC 21000
Implantation du CVS dans les locomotives CC 21000
 Blocs du CVS pour les CC 21000
Blocs du CVS dans les locomotives CC 21000
Synoptique du convertisseur

Le schéma général de tout convertisseur continu-continu peut se diviser en deux parties (figure 1):
         - Un convertisseur continu-alternatif,
         - Un convertisseur alternatif-continu.
Le convertisseur continu-alternatif se compose essentiellement :
     - d'un dispositif hacheur qui découpe le courant continu, et le transforme en créneaux variant de 0 à +V
     - du primaire d'un transformateur, qui permet la symétrisation du créneau par rapport au zéro.

principe convertisseur CC/CC
Principe général d'un convertisseur continu/continu

Le convertisseur alternatif-continu est composé :
         - de 3 secondaires de transformateur,
         - de 3 redresseurs,
         - de 3 systèmes de filtrage destinés à fournir un courant continu aussi exempt d'ondulation que possible.
Le convertisseur est destiné à fournir :

  • a) le courant d'excitation des moteurs en freinage rhéostatique,
  • b) le courant de charge de la batterie 72 V des auxiliaires de la machine,
  • c) le courant de charge de la batterie d'excitation des moteurs en freinage rhéostatique de secours.

Le courant d'excitation est la charge la plus importante du convertisseur, puisqu'il doit atteindre 550 A.
On profite de la souplesse des redresseurs contrôlés (thyristors) pour réguler les courants fournis aux 3 utilisations.

L'ensemble convertisseur continu-alternatif est constitué par un groupe de thyristors en série, qui donne sur le primaire d'un transformateur TP des impulsions de tension 1500 V de largeur constante (1,5ms) et dont la fréquence est de 160 Hz lorsque les batteries seules sont en charge, et de 200 Hz lorsque les inducteurs sont en service.

L'ensemble convertisseur alternatif-continu comporte 3 secondaires qui fournissent l'énergie appliquée aux thyristors de régulation secondaire.
Les tensions et courants de sortie sont comparés à des références, et la différence agit sur l'allumage des thyristors secondaires.
On constitue ainsi une chaîne de régulation, par retour de l'information de sortie sur l'entrée.

Les impulsions de déclenchement des thyristors sont engendrées par une bascule à seuil, déclenchée par une dent de scie (UT). La bascule fournit une impulsion lorsque la dent de scie atteint un seuil prédéterminé, pour les thyristors hacheurs, et variable pour les thyristors secondaires. La variation du seuil de déclenchement est obtenue par le tension issue de la comparaison entre la valeur réelle et la référence, effectuée par la chaîne de régulation.
Les chaînes de régulation sont réglées de telle sorte, qu'en position d'équilibre (Valeurs de références = valeurs réelles), l'impulsion d'amorçage des thyristors régulateurs arrive avec un retard de 750 us après celle des thyristors hacheurs, c'est-à-dire au milieu du temps de conduction de ces derniers.

synoptique simplifié du CVS
Fig.2 : Schéma synoptique simplifié du CVS

Le retard est moindre si la valeur mesurée est inférieure à la valeur de référence, et plus important dans le cas contraire.

synoptique détaillé CVS
Schéma synoptique détaillé du convertisseur CC21000 / CC6500
III - Circuits de puissance

Le principe du circuit de puissance est celui du hacheur rappelé par la figure 2.
L'interrupteur S1, manœuvré périodiquement, applique des impulsions de tension caténaire au primaire Lp d'un transformateur, dont le secondaire est supposé chargé par une résistance RL, un interrupteur S2 fermé après S1 peut servir à la régulation de la puissance secondaire.

Le schéma de principe du circuit de puissance est donné figure 3.
Il se compose de 5 parties distinctes :
  • a) Le circuit de filtre formé par Lf, Rf, Cf et Df,
  • b) le circuit primaire, qui constitue la base du système, formé du primaire Lp du transformateur de puissance Tp, de la diode D1, et du thyristor Th1,
  • c) le circuit d'extinction, qui permet le désamorçage dn thyristor après un temps bien défini. Ce circuit comprend Lc, Cc, D4,
  • d) le circuit de démagnétisation qui permet au circuit magnétique du transformateur de libérer l'énergie emmagasinée pendant la conduction de Th1. Il se compose de D2, D3, Cd et Rd,
  • e) le circuit secondaire qui alimente la charge R1 à un instant donné, et permet la régulation de la puissance absorbée par RL. Il se compose du secondaire Ls, du thyristor Th2, de la diode DS et de la bobine LB.

Fig.3 : Schéma de principe du circuit de puissance
Nous allons étudier maintenant en détail chacune de ces parties constituantes.

a) Filtre

Le rôle du filtre est d'absorber les surtensions parasites importantes qui apparaissent fréquemment sur la tension caténaire. Il est constitué par un circuit L.C.

Le condensateur Cf de capacité élevée est chargé à la tension caténaire moyenne et assure l'alimentation du convertisseur en cas de disparition brève de la tension caténaire (décollement de pantographe).
      La résistance Rf montée en parallèle sur la bobine du filtre offre un chemin de bouclage au courant traversant la bobine Lf, et limite ainsi La surtension à ses bornes, lors de l'ouverture du circuit (coupure de l'alimentation, ou de décollement important du pantographe).
      La diode Df protège le convertisseur en permettant le rebouclage du courant des moteurs de traction en cas de disjonction, ou de coupure du circuit d'alimentation haute tension, en charge.

b) Circuit primaire

Lorsque l'impulsion d'amorçage déclenche le thyristor, celui-ci passe à la conduction et applique instantanément la tension E aux bornes de l'inductance primaire Lp.

1) - à vide

La relation classique donne E = L (di/dt), d'où di/dt = E/L, dans lesquelles E et L sont des constantes.
La différentielle di/dt est donc constante, ce qui signifie que le courant i croît linéairement avec le temps. Ce courant est la composante magnétisante du courant primaire (fig.5a).

2) - en charge

Le courant de charge Ic du secondaire est ramené au primaire et devient n.Ic. Celui-ci s'établit dès la fermeture du circuit, c'est-à-dire dès l'amorçage de Th2.
      La forme du courant primaire, avec une charge résistive permanente au secondaire est donc un saut brusque, surmonté de la rampe du courant magnétisant défini plus haut (fig.5b).

Sur le convertisseur, la charge n'est appliquée qu'après un temps t. Le courant primaire croît alors suivant le figure 5c.

A noter que les 3 figures sont valables tant que la saturation du transformateur n'est pas atteinte. Le temps de conduction du thyristor est suffisamment court, pour que ne soit théoriquement jamais atteinte cette saturation. On verra plus loin que la saturation intervient pour la régulation du fonctionnement.

c)- Circuit d'extinction

Le plus délicat, dans un circuit à thyristors alimenté en courant continu est l'extinction de celui-ci. On sait, en effet, qu'un thyristor se désamorce lorsque le courant direct ande-cathode devient inférieur au courant de maintien Ih.

En alternatif, ce désamorçage a lieu lorsque la tension d'alimentation passe par zéro, mais en continu, on est toujours obligé de faire appel à certains artifices qui permettent l'extinction du thyristor bien que la tension ne s'annule pas. Tous ces artifices sont basés sur la circulation d'un courant - I, supérieur au courant direct, en valeur absolue, mais de signe opposé. Ce courant - I compense alors le courant direct, ou encore, on peut dire que le courant direct est dérivé pendant un court instant, ce qui permet au thyristor de se désamorcer, puisqu'i1 n'a plus un courant minimum de maintien suffisant.
Ici, le montage mis en œuvre, en parallèle sur le thyristor, utilise une self saturable et un condensateur, montés en série. Le schéma du circuit d'extinction est donné fig. 6.

Les conditions initiales sont les suivantes :
      - Th1 bloqué, Cc chargé à + E, D4 bloquée.

L'impulsion d'amorçage envoyée sur la gâchette du thyristor déclenche celui-ci. Le courant principal Ip prend naissance et augmente suivant une loi quasi-linéaire. Simultanément, Cc commence à se décharger dans la self saturable Lc. Le circuit Lo - Cc forme alors un circuit oscillant parallèle.

Le fonctionnement du système se décompose en 3 temps, que l'on peut résumer brièvement comme suit :

1er temps
Th 1 bloqué

+ E apparaît
établissement du courant de charge ic de Cc de telle façon que :
VCc = + E
2ème temps
établissement du courant principal Ip.
1°) établissement du courant de décharge Idc à travers la self saturable.
  • a) Idc croît lentement jusqu'à saturation de Lc de T0 à T1 (figure 7).
    VCc passe de E à (+ E - ).
  • b) Lc se sature Idc passe rapidement à une valeur élevée. VCc passe de (+ E - ) à 0. Puis Idc décroît suivant une loi sinusoïdale jusqu'à la valeur du point de saturation de Lc. VCc passe de 0 à (- E - ).
    (Idc est impropre puisque ce n'est plus la décharge du condensateur qui le provoque, mais l'énergie emmagasinée dans la self).

    Donc, de t1 à t2, Idc est passé par un maxima, puis est revenu à sa valeur d'origine. VCc est passé de (+ E - ) à 0, puis à (- E - ).

  • c) De t2 à t3, Idc décroît lentement jusqu'à O, et VCc passe de (- E - ) à - E, puisque la self est déssaturée depuis t2.
3ème temps
Idc circule en sens inverse de celui du 2ème temps. Ce courant circule dans Th jusqu'à ce que Idc soit égal à Ip (t5) puis par D4, ¢ar Th1 se bloque, dès que Idc = - Ip.
d)- Circuit de démagnétisation du transformateur

Ce circuit est constitué (fig. 9), par les éléments Cd, Rd, D2 et D3, mais les éléments du circuit d'extinction et Cp participent aussi à la démagnétisation, tout au moins, au début de celle-ci.

La démagnétisation a pour but d'offrir un chemin au courant qui doit continuer de circuler dans Lp, après l'ouverture de Th, courant dû à l'énergie magnétisante emmagasinée durant la période de conduction du thyristor. Plaçons nous donc au temps to, où le thyristor vient, juste de se bloquer, c'est-à-dire que le courant Ic d'extinction est dans la phase croissante du 3ème temps décrit au paragraphe précédent, et sa valeur est égale et opposée au courant Ip (t5). Idc se ferme alors par D4, et le courant Ip peut se poursuivre pendant le temps de la recharge de Cc, par Lc, Cc et Cf. C'est le courant I1 de la fig. 9, mais dès que Cc est rechargé le courant Ip qui traversait la self Lc y a créé une énergie magnétisante, et Ip doit s'écouler pendant un certain temps dans Lp. Ce courant est le même, au début du cycle que celui qui circule dans Lc. En début de cycle, le courant dans Lc se boucle par D3, Cd, Lp, D1, mais au bout d'un certain temps, le courant Ip devient supérieur au courant dans Lc, à ce moment, la diode D2 commence à conduire et est traversée par la différence entre ILc et Ip.

Le courant ILc se boucle alors par D3, D2, D4, et tombe rapidement à 0.

Quand Th1 s'ouvre, l'inductance Lp qui se comportait comme un récepteur, se comporte alors comme un générateur, et le courant qui la traverse n'ayant pas changé de sens, c'est la tension à ses bornes qui s'inverse. Cette tension était E = L(di/dt) et elle devient - V = L(di/dt) car le courant décroît et di/dt est négatif.

Ce circuit oscillant comporte une résistance shunt, qui est une résistance d'amortissement.

A partir de l'instant où la diode D2 conduit, le circuit Lp + Cd constitue un circuit oscillant : l'énergie emmagasinée dans Lp est transmise à Cd.

La période T de ce circuit LC est longue, car Cd est élevé (370uF) ainsi que Lp. Cette période T est sensiblement égale à 1/160 s, c'est-à-dire, à la période de fonctionnement du convertisseur à 160 Hz. Ceci signifie que le noyau du transformateur sera pratiquement déchargé lors de l'amorçage suivant des thyristors hacheurs.

La tension Vo aux bornes du condensateur Cd (fig. 9) est donc légèrement croissante. Lorsque le noyau est décharge, le courant ne peut s'inverser car D2 se bloque.

Lorsque Th1 conduit, à la période suivante, le courant dans le condensateur s'inverse et celui-ci débite dans la résistance. La tension moyenne (Vo) aux bornes du condensateur est définie par le rapport du temps de conduction de Th1 au temps de blocage, par la tension ligne, qui détermine le courant magnétisant dans le transformateur, ainsi que par la charge.

Cette tension varie très peu au cours d'une période du fait de la valeur élevée du condensateur et de la présence de la résistance RD.
On peut donc en déduire :

  • - d'une part que le courant traversant la résistance est pratiquement constant,
  • - d'autre part, que le courant traversant la self décroît linéairement de Ip à une valeur i (qui peut être nulle).
  • - enfin, que le courant dans la capacité suit le courant IL à une constante IR près.
Nous avons vu qu'en fin de période de démagnétisation, le courant de démagnétisation pouvait ne pas s'annuler, et rester à la valeur i.
Si on appelle I le courant absorbé par les secondaires ramené au primaire, le courant total absorbé par le convertisseur à la fin de la période suivante sera I + i et le courant résiduel en fin de démagnétisation sera 2i. Le courant à la 3ème période sera alors I + 2i, et ainsi de suite.
Mais le phénomène que nous allons expliquer intervient pour stabiliser le fonctionnement.

L'énergie emmagasinée dans le noyau pendant la croissance du courant est : w = I d, où d est la variation du flux, et I la variation de courant. Si l'on considère la courbe d'induction d'un noyau magnétique, que nous supposerons sans hystérésis (fig. 10), on constate, que lorsque l'intensité résiduelle augmente, la variation d'intensité pendant la conduction de Th restant presque constante, l'augmentation de et, par conséquence de tend à diminuer, d'une période à la suivante, à cause de la saturation du noyau.

Ceci signifie, que l'énergie stockée pendant une conduction par rapport à la précédente, diminue. Mais l'amplitude de la variation du courant de démagnétisation reste pratiquement constante, et est liée à Vo, donc 1'énergie récupérée par la capacité reste pratiquement constante. En conséquence, après un certain nombre de périodes Imax atteint une valeur telle que 1' énergie restituée égale l'énergie emmagasinée,c'est-à-dire que le courant résiduel i d'une période à l'autre tend vers 0.

On démontre (voir annexe II) que lorsque La stabilisation est atteinte, on a (figure 11):

Vo.t2 = E.t1
  • Vo = tension aux bornes de Lp pendant la démagnétisation
  • t2 = temps de démagnétisation
  • E = tension aux bornes de Lp pendant la conduction de Th
  • t1 = temps de conduction de Th
  • .

Sur la photo oscillographique n° 3 est représentée la tension aux bornes du primaire du transformateur, la charge étant faible c'est-à-dire avec f = 150 Hz. Cette photo reproduit la fig 11.
Sur l'oscillographe n°4, l'inflexion de Vo avant l'amorçage de Th est provoqué, lorsque l'intensité circulant dans la self, IL, atteint puis devient plus faible que celle circulant dans Rd. A ce moment, la différence pour maintenir Ir constant, provient de la capacité. La tension à ses bornes chute donc. Si le temps t2 était beaucoup plus long, le courant IL s'annulerait et la tension aux bornes du condensateur tendrait exponentiellement vers 0 (décharge du condensateur Cp dans la résistance Rp ). Ce phénomène se voit sur l'oscillogramme n° 4, qui représente la même tension que précédemment, mais avec un charge beaucoup plus importante (f = 200 Hz).

e) Circuits secondaires
Les trois circuits secondaires ont une structure identique. Deux servent pour la charge des batteries 72 V et 30 V, et le troisième est utilisé pour le courant inducteur.

Le schéma d'un circuit secondaire est donné fig.12.

synoptique circuits secondaires
Il est composé de l'enroulement secondaire Ls, du thyristor Th2, de la self de lissage LB de la charge RL (batterie ou inducteur), et d'une diode DS.

Le thyristor Th2 est amorcé après le thyristor Th1 du circuit primaire de puissance,ce qui fait qu'une tension est présente, dans le bon sens au moment de l'amorçage. Un courant commence à circuler dans le secondaire, et par LB dans la charge.

Lorsque le thyristor primaire se désamorce, 1'énergie magnétisante qui pourrait être présente sur le secondaire est reportée au primaire, et la tension secondaire s'inverse donc, comme le tension primaire.

Le thyristor Th2 s'éteint, et le courant Ic de charge, qui passait par le thyristor, se poursuit par la diode DS, jusqu'à ce que la self LB ait libéré toute l'énergie emmagasinée pendant la conduction. Le courant secondaire a donc une forme ondulée avec croissance linéaire et décroissance exponentielle.

La photographie n° 5 montre la tension aux bornes du secondaire de charge batterie 72 V. On voit que ce thyristor est amorcé vers le début du temps de conduction. La photo n° 6 montre la même tension, étalée, avec en plus les oscillations de chocs dues aux amorçages successifs des 2 autres chaînes de régulation.

Les photos d'oscillo sont reprises au chapitre "régulation".

schéma complet du circuit de puissance

   Sommaire / description - puissance Partie 1 originale 1969 en pdf Circuits de commande et régulation