1.2.1 - Généralité sur les montages commandés - Avec les montages à diodes que nous venons de voir la tension redressée ne pouvait être réglée qu'en modifiant l'amplitude de la tension alternative (fig 7a). Les thyristors qui ne s'amorcent pas naturellement mais sur commande, offrent la possibilité de régler la valeur moyenne de la tension redressée en retardant plus ou moins l'instant d'amorçage au cours de l'alternance (fig 7b). D'où la suppression du graduateur laquelle se traduit par un allègement d'environ 400 kg. Mais le gain qu'entraîne la simplification du transformateur est bien plus considérable. En effet l'importance des courants à manipuler sur les locomotives, obligeait à effectuer le changement de prises sur la haute tension, ce qui conduisait à adopter pour le groupe de transformation le schéma bien connu : autotransformateur + transformateur (fig 8). Les thyristors permettent d'en revenir au simple transformateur, ce qui assure un allègement d'environ 21 % de la partie active (en considérant un transformateur conçu pour alimenter un montage en pont).

REGLAGE HT

Si l'on compare transformateur pour alimentation d'un montage à thyristors en pont et un groupe autotransformateur + transformateur pour alimentation de redresseurs à vapeur de mercure, en push-pull, cet un allègement de 28 % que l'on constate.
C'est très important, puisque les masses des transformateurs se situent couramment entre 7 et 11 tonnes. En outre, l'abandon d'un mode de réglage mécanique, même satisfaisant, au profit d'un mode de réglage statique se traduit par une réduction d'entretien.

On peut se demander pourquoi on n'a pas utilisé le réglage de tension par l'amorçage retardé des redresseurs avec les ignitrons ou excitrons, puisqu'il était possible de le faire en piltant les courants d'igniters pour les premiers, les tensions de grille pour les seconds, ce qui se pratique, du reste, en freinage par récupération.

Une première raison tient dans ce que les redresseurs à vapeur de mercure n'appréciairnt guère les contraintes supplémentaires qu'impose le fonctionnement le fonctionnement avec allumage retardé. C'est ce qui a conduit à pratiquer le récupération à mi-tension seulement sur les BB 16500.

Par ailleurs, on reprochait à l'amorçage retardé des redresseurs d'apporter une réduction du facteur de puissance; cela est vrai, nous le verrons plus loin. Mais les thyristors permettent de réaliser des schémas qui, impensables avec des redresseurs à vapeur de mercure, redonnent aux locomotives un facteur de puissance très vooisin de celui qu'elles auraient eu avec un graduateur de tension.

C'est un peu la même chose en ce qui concerne les harmoniques; on a craint que, par ses incidences sur la forme du courant, le découpage de la tension entraîne des perturbations inadmissibles des circuits de signalisation et des installations de télécommunications. Il est de fait que les harmoniques produits sont plus importants et que la conception, ou la protection, de certaines installations sera modifiée en conséquence, les circuits de voie en particulier. Les appareillages à fréquence fixe pure seront remplacés par des appareillages à fréquence modulée. Mais déjà, il est prouvé que pour les engins de puissance modérée, comme les automotrices (même en unités multiples), les harmoniques engendrées restent dans les limites admissibles. Pour les locomotives puissantes, les schémas réalisables avec les thyristors pour améliorer le facteur de puissance apportent en même temps une réduction des perturbations dues aux harmoniques.

Enfin, une circonstance nouvelle plaide en faveur du thyristor : c'esr l'automatisation progressive des engins moteurs. Le réglage continu de la tension est celui qui convient le mieux à toute automatisation : égalisation des courants, correction des patinages, et surtout marche sous contrôle d'un régulateur de vitesse.

Les montages commandés se répartissent en deux catégories fondamentales :

• montages totalement commandés dont tous les bras contiennent de thyristors (fig 9a)
• montages semi-commandés dont certains bras ne sont constitués que de diodes (fig 9b)

Fig.9a MONTAGES TOTALEMENT COMMANDES		Fig.9b MONTAGES SEMI-COMMANDES
Montages en push-pull Réglage symétrique Redresseurs à vapeur de mercure	Montage en pont totalement commandés (Thyristors dans tous les bras)	Pont semi-commandé à réglage asymétrique	Pont semi-commandé avec diode de décharge
		Le pointillé indique comment se boucle le courant moteur pendant les phases de blocages des thyristors	Avec diode de décharge (ou de roue libre)

Les variantes qui existent dans chaque catégorie ne diffèrent que sur des points secondaires, les propriétés fondamentales restent les mêmes. Aussi nous en tiendrons-nous au pont totalement commandé ou pont "tout thyristors", dit encore à commande symétrique, et au pont semi-commandé, ou pont mixte (diodes et thyristors), dit encore à commande asymétrique.

a) Pont totalement commandé

Les formes des courants et tensions obtenues avec le pont totalement commandé nous sont données à la figure 10.

Fig.10 Forme des courants et tensions, avec amorçage retardé des redresseurs d'un montage totalement commandé	Fig.11 Conduction des thyristors et des diodes d'un pont mixte à réglage asymétrique

On remarque les pointes négatives que présente la tension dite redressée (en b) : ceci provient de l'inductance du circuit "continu" 'self de lissage essentiellement) qui empêche l'extinction du courant moteur au passage par 0 de la tension. Les autres thyristors n'étant pas encore amorcés à cet instant, ceux qui conduisent ne peuvent se bloquer et le courant se prolonge obligatoirement à travers le transformateur malgré l'inversion de la tension d'alimentation. Les sorties du pont restant liées au transformateur par les mêmes thyristors, on y retrouve forcément l'inversion de tension.

La forme de la tension redressée, plus "torturée" qu'en amorçage naturel des redresseurs se répercute sur l'ondulation du courant :

• qui est toujours supérieur (pour une même self de circuit)
• et qui va cette fois, en décroissant à mesure que la tension croît.

Hormis la différence due au taux d'ondulation plus grand, on voit que l'allure générale du courant demeure la même qu'avec un pont à diodes. Toutefois, ce courant est décalé sur la tension ligne de l'angle correspondant au retard d'amorçage des thyristors. Ce décalage varie donc d'environ 90° à 0° à mesure que la tension s'élève.

a) Pont semi-commandé

Ce montage conduit aux formes de courants et tensions reproduites à la figure 11.
La tension redressée ressemble davantage à ce qu'elle était avec des diodes, avec évidemment des paliers nuls beaucoup plus larges puisque représentant la somme de l'angle d'amorçage des thyristors plus l'angle de commutation.. Les pointes négatives du cas précédent ne sont plus, parce qu'au passage par 0 de la tension, les thyristors peuvent s'éteindre. Le courant moteur dispose en effet d'un autre chemin pour se prolonger : celui des diodes que l'on appelle d'une manière imagée "diode de roue libre".

La forme du courant ligne en est profondément modifiée. Entre le début d'une alternance et l'amorçage des thyristors, le courant ligne est nul, puisque le courant se prolonge par les diodes et non par le transformateur.

Le courant ligne n'est diphasé, cette fois que de l'angle /2 sur la tension ligne au lieu de l'angle dans le cas précédent.
On conçoit donc que le facteur de puissance soit différent comme nous le verrons plus loin.

Grâce au fonctionnement en roue libre le taux d'ondulation du courant moteur reste du même ordre qu'avec un pont à diodes et il va aussi en croissant avec la tension redressée.

1.2.3 - Comparaison des montages sur les plans facteurs de puissance, possibilité de fonctionnement en onduleur -

Dans ce bref exposé, nous ne pouvons développer le calcul du facteur de puissance en fonction de la tension (avec un correctif dû au courant) dans les différents montages : pont à diodes, pont "tout thyristors" et pont mixte. Nous nous contentons de présenter les résultats sous forme graphique à la figure 12 ci-contre, pour le courant nominal de traction : à gauche : en fonction de la tension moyenne redressée (exprimée par rapport à sa valeur maximale) à droite : en fonction de la vitesse (exprimée par rapport à la vitesse de définition de la locomotive Par rapport à la locomotive à graduateur et diodes, c'est seulement dans la plage de réglage de la tension que la locomotive à thyristors se trouve pénalisée. Le facteur de puissance n'est pas affecté par le réglage d'excitation, même s'il se pratique aussi au moyen de thyristors comme nous le verrons par la suite. On voit que le classement des engins moteurs par ordre de facteur de puissance décroissant s'établit comme suit :

• engins à réglage par graduateur Basse tension (droites C2 - C'2)
• engins à réglage par graduateur haute tension (droites C1 - C'1)
• engins à pont mixte (courbes C4 - C'4)
• engins à pont tout thyristors (courbes C3 - C'3)

Si l'on consent, du reste, à une réduction de l'effort de freinage à vitesse élevée on peut très aisément transformer un pont mixte en un montage totalement commandé pour passer de la traction au freinage (fig.13). Les performances obtenues en freinage sont habituellement suffisante en pratiquant le freinage à mi-tension.

TRANSFORMATION DU PONT MIXTE AVEC DIODES DE DECHARGE EN UN MONTAGE PUSH-PULL (en vue du freinage par récupération)
Signalons enfin que les maximums des harmoniques engendrés dans la ligne par un pont "tout thyristors", au cours d'un démarrage à courant moteur donné, se situent pour les premiers harmoniques entre ceux du pont à diodes et ceux du pont semi-commandé (en dépit des résultats de calcul auxquels on parvient en considérant les formes simplifiées du courant, c'est-à-dire des courants lignes rectangulaires avec ou sans plages d'ordonnées nulles). A prtir de l'harmonique 13, les deux montages à thyristors sont sensiblement équivalents; ceci apparait à la figure 14. Les troubles engendrés dans les circuits de télécommunication sont pratiquement indépendants du montage à thyristors adopté.

Avec graduateur simplifié : AUTOMOTRICE Z 8002 SNCF (à thyristors et diodes silicium)	Avec contacteurs de mise en circuit des différentes fractions du secondaire : AUTOMOTRICES DU PENNSYLVANIA RAIL ROAD (à ignitrons et diodes au silicium)	Solution entièrement statique: AUTOMOTRICE Z6008 SNCF (à thyristors et diodes constituant en réalité 4 ponts identiques)

Bien que ce ne soit pas évident au premier coup d'oeil, les dispositions imaginées pour améliorer le facteur de puissance conduisent toutes à pretiquer le réglage d'angle entre prises du transformateur. Au moyen de thyristors (ignitrons chez Pennsylvania rail road), on ajoute à la tension constante recueillie sur une prise, une fraction variable de la tension recueillie entre cette prise et les suivantes. La disposition la plus intéressante est, à coup sûr, celle que l'on réalise de manière totalement statique en associant plusieurs ponts en série.

Forme de la tension redressée par ces dispositifs

		L'automotrice Z 6008 de la S.N.C.F. possède quatre ponts en série ce qui lui donne un facteur de puissance presqu'équivalent à celui d'un réglage BT, supérieur en tout cas à celui d'un réglage HT (fig 16). Ces graphiques reprennent ceux de la figure 12, avec en superposition, les courbes C5 - C'5 en rouge, mesurées sur la Z 6008. Sans aller jusque là, pour ne pas trop compliquer le transformateur, on peut se contenter de deux ponts en série, ce qui donne encore un bon facteur de puissance, sensiblement équivalent en moyenne à celui que procurera le réglage HT.
En fonction de la tension à vide aux différents crans ou de son équivalent en réglage d'angle	En fonction de la vitesse	C'est ce qui est fait sur les locomotives BB 15000

Classiquement la réduction de champ est assurée par des résistances branchées en parallèle sur des inducteurs par la fermeture de contacteurs (fig.17a). L'utilisation de thyristors permet de réaliser un dispositif de shuntage très simple, totalement statique, qui conduit au même résultat (fig.17b). Pour le fonctionnement correct du dispositif, la résistance de shuntage permanent, du reste nécessaire pour dériver la composante alternative du courant moteur doit être conservée.
Lorsque l'on commande l'amorçage des thyristors de shuntage au cours de chaque alternance, pratiquement,	SHUNTAGE PAR LA METHODE CLASSIQUE Shuntage discontinu	SHUNTAGE PAR THYRISTORS Shuntage continu

On retrouve cette disposition sur les BB 15000 dont le détail de fonctionnement est donné sous ce lien BB15000-E.html et le schéma détaillé pour un moteur sous celui-ci BB15000-E2.html.