La Locomotive à redresseurs

1 - Rappel historique sur la traction en courant 25 kV w 50 Hz et l'apparition de la locomotive à redresseurs - Evolution des redresseurs.

• 1.1. L'ignitron
• 1.2. L'excitron
• 1.3. les redresseurs à semi~conducteurs
• 1.4. Masse, encombrement, et rendements comparés des redresseurs à vapeur de mercure et des redresseurs au silicium.
• 1.5. Le thyristor

1 - Rappel historique sur la traction en courant 25 KV/50 Hz et l'apparition de la locomotive à redresseurs ~ Evolution des redresseurs -

La traction à courant alternatif monophasé fut envisagée des 1908 par la Compagnie du Midi, qui réalisa même l'électrification de plusieurs tronçons totalisant jusqu'à 175 km avant d'être progressivement reconvertis à partir de 1920, quand fut prise la décision d'utiliser le courant continu à 1500 volts pour l'ensemble du réseau français. Le système primitif cependant subsiste encore sur les 48 km de ligne reliant Perpignan à Villefranche-de-Conflent.

Il faut noter que, comme ceux des réseaux étrangers qui à l'époque optèrent pour le courant monophasé, la Compagnie du Midi avait retenu pour sa première électrification un courant à la fréquence spéeiale de 16 2/3 Hz (tension 12 kV). C'était la quasi impossibilité où l'on était alors, de réaliser un moteur à la fréquence de 50 Hz qui avait conduit à choisir pour celle-ci une valeur plus basse. Il fallait que s'accomplissent divers progrès dans la technologie des moteurs de traction pour que devienne possible l'électrification en courant à la fréquence industrielles.

Celle-ci qui débute en 1928 sur une ligne hongroise (Budapest à Hegyshalom) se poursuit à partir de 1954 sur la ligne allemande du Höllental et prend enfin son véritable essor avec l'expérimentation qu'en fait le S.N.C.F. sur la ligne d'Aix-les-Bains à La Roche sur Foron. Sur cette ligne de Savoie dont le tension d'alimentation primitivement fixée à 20 KV sera ensuite portée à 25 kV, le S.N.C.F. met en service divers types de locomotives et automotrices qui lui permettront de confronter les solutions possibles à la traction "monophasée".

Aussi le parc comporte-t-il :

• - des engins à moteurs monophasés à collecteur, dits "moteurs directs” (cc 20001, prototype des 25001 à 25009, CC 20002, z 9051 à 9054)
• - des engins à conversion de courant dont les moteurs sont alimentés en courant continu, soit par un groupe tournant (BBB 6053) soit par un ou plusieurs redresseurs (BB 10001 - Z 9055).

BB10001

CC20001

CC20002

CC25005

BB12045

CC14018

CC14187

BB13051

Des 20 locomotives destinées à la remorque des trains de marchandises ordinaires et des trains de voyageurs, 15 sont à moteurs directs (BB 13000).
Les locomotives à redresseurs (BB 12000) ne sont donc commandées qu'avec prudence. C'est surtout parce que l'on connaît mal l'influence que peut avoir sur le réseau d'alimentation leur utilisation en grand nombre. Les redresseurs constituent en effet des générateurs d'harmoniques et l'on craint que ces harmoniques se propageant sur le réseau primaire y apportent des perturbations inacceptables. 0n craint aussi que les circuits téléphoniques et la radio ou la télévision soient affectées en raison du rayonnement de la caténaire.

D'autre part si l'on a retenu, à la lumière des résultats acquis en Savoie, les redresseurs mono-anodiques scellés, du type Ignitron, pour équiper les BB 12000, on n'a encore qu'une expérience approchée de leur comportement sur une locomotive, puisqu'ils ont jusqu'alors équipé une automotrice seulement.
Pourtant ce sont les locomotives à redresseurs ignitrons qui surclasseront toutes les autres.

Tandis que le cahier des charges prévoyait pour ces locomotives de 84 tonnes la traction de 750 tonnes en rampe de 10 °/oo, elles se révèlent capables de remorquer journellement, pendant la saison la plus défavorable du point de vue de l'adhérence, des trains de 1400 tonnes en rampe de 10 °/oo et même dans une courte rampe de 11,5 °/oo.
L'expérience montre que leurs facultés d'adhérence ne sont pas épuisées; c'est l'intensité maximale admissible par les redresseurs qui limite la charge.

La série de locomotives à ignitrons est donc poursuivie en modifiant le rapport d'engrenage de façon à augmenter l'effort à la jante. On peut alors leur allouer la charge démarrable de 1650 tonnes en rampe de 10 °/oo. La BB 12006 assure même pendant plusieurs mois le roulement des CC avec des trains de 1800 t, et en mai 1957, à titre d'essai, elle démarre en rampe de 10 °/oo un train de 2424 tonnes.

Ces performances, jointes à leur souplesse d'emploi et à leur excellente tenue en service, firent que bientôt on ne commanda plus que des locomotives à redresseurs.
Si bien, qu'au 1er octobre l968, sur un total de l000 engins monophasés ou polycourants en service à la S.N.C.F., 811, soit 81 % sont des engins à redresseurs. Et cette proportion ne fait qu'augmenter puisque tous les engins en construction ou à l'étude sont à redresseurs.
Sur les 811 engins à redresseurs en service, 344 sont dotés de redresseurs ignitrons. Les autres possèdent soit des redresseurs excitrons, soit des redresseurs à semi-conducteurs.

Fig 1 - Ignitron 1000A GE

L'ignitron (fig. 1) qui a assuré le brillant départ de la locomotive à redresseurs et qui continue de donner toute satisfaction sur les locomotives qu'il équipe, est un redresseur mono-anodique dans lequel la tache cathodique est provoquée au début de chaque alternance pendant laquelle le redresseur doit assurer la conduction. L'organe d'allumage est l'igniter (fig. 2), pointe semi-conductrice qui plonge dans le mercure et reçoit à point nommé une impulsion de courant. Le champ élevé qui s'étab1it alors au contact semi-conducteur-mercure provoque la formation de la tache cathodique.

Fig 2 - Coupe d'un ignitron

Le fonctionnement de l'ignitron reste correct entre 25 et 60° environ. A température élevée, il faut craindre les retours d'arcs; à température basse, les ruptures d'arc qui sont cause d'importantes surtensions. On assure donc la régulation thermique des ignitrons au moyen d'une circulation d'eau à l'intérieur de leur double paroi.

Une vanne thermostatique dirige l'eau on fonction de sa température, soit vers des radiateurs situés dans l'aspiration des groupes moto-ventilateurs des moteurs de traction, soit vers des réchauffeurs dont la mise sous tension est commandée par un thermostat. (Fig. 3). Les calibres des ignitrons ont progressivement augmentés. De 5 pouces à l'origine sur la Z 9055, ils furent très vite remplacés par des tubes de 8 pouces, ceux-là même qui équipent les BB 12000 de Valenciennes ~ Thionville. On passe ensuite au tube de 10 pouces pour les BB 16000 (et quelques BB 12000 puis au tube de 12 pouces pour les BB 16500. La fig. 2b donne les dimensions, la masse et le régime de définition des trois types de tubes en service.

L'excitron, dont la fig 4 donne une coupe schématique a été préféré à 1'ignitron sur celles des locomotives BB 16500 qui sont dotées du freinage par récupération (BB 16656 à 15759).

La pratique de ce mode de freinage conduit à utiliser les redresseurs en onduleurs, fonctionnement au cours duquel on les oblige à s'allumer et à s'éteindre à l'inverse de leur tendance naturelle. Il est alors nécessaire, nous verrons pourquoi plus tard, que la désionisation des redresseurs soit rapide et leur allumage sûrs. Or l'ignitron, s'il a l'avantage d'un faible poids et d'un volume réduit, se trouve, dans sa simplicité de construction, défavorisé par un angle de désionisation important. L'adjonction d'écrans de désionisation efficaces, destinés à diminuer cet angle, risque de lui faire perdre sa régularité d'allumage, pour laquelle on peut craindre déjà, à cause de la nécessité de recréer la tache cathodique à chaque fois que le tube doit conduire. Dans l'excitron, au contraire, la tache cathodique est entretenue en permanence, et il est plus facile d'adopter des dispositions constructives facilitant la réduction de 1'angle de désionisation. S'il existe des excitrons refroidie par air, la régulation thermique par eau reste préférable dans une locomotive, dont la caisse est le siège de courants d'air (en raison de l'importante aspiration des groupes moto-ventilateurs des moteurs et du transformateur),et où les variations de température sont non seulement importantes (variations saisonnières) mais aussi brutales (entrées dans les tunnels}. Aussi trouve-t-on sur les locomotives à récupération le même circuit d'eau que sur les locomotives à ignitrons.

1.3 - Les redresseurs à semi-conducteurs

Ils sont apparus en 1958 sur l'automotrice Z 9055 où ils ont remplacé les ignitrons que, déjà, elle avait été la première à recevoir.

Bien entendu nous ne développerons pas ici la théorie des semi-conducteurs traitée dans les ouvrages spécialisés. Rappelons toutefois qu'il existe deux catégories de redresseurs à semi-conducteurs :
- les redresseurs à couche d'arrêt tels ceux à oxyde de cuivre et ceux au sélénium,
- les redresseurs à jonction qui sont actuellement soit au germanium, soit au silicium.

Les redresseurs employés en traction, dans les circuits de puissance, appartiennent au type à jonction. Un ensemble redresseur complet est constitué de cellules élémentaires qui sont assemblées en série et en parallèle pour obtenir les caractéristiques de tension et de courant voulues.
Les Figures 5 et 6 montent l'aspect extérieur et la constitution des cellules non contrôlées ou diodes.

Fig. 5 : Composition d'une diode silicium

Fig. 6 : Une diode 200A

Type de redresseur à jonction Germanium Silicium Densité de courant dans la jonction A/cm2 (refroidissement forcé) 100 200 Tension de blocage 300 Couramment jusqu'à 2000 V Température maximale d'emploi en °C (à la jonction) 70 - 75 140 - 150 Rendement % 98,5 (Au delà de 30% de la charge nominale) 99,6% (Au delà de 20% de la charge nominale) Ces chiffres n'ont qu'une valeur indicative car les caractéristiques d'une diode dépendent du degré de dopage du cristal de base en atomes étrangers et de la façon dont ce dopage est réalisé. 0n peut trouver, par exemple, des cellules au silicium capables de supporter une tension de 2600 V ou même 3000V dans le sens du blocage, et capables de conduire dans le sens passant un courant de 400 ampères.

La partie active d'une diode est une pastille d'un diamètre voisin de 20 millimètres et d'une épaisseur de quelques dixièmes de millimètre. La chute de tension dans le sens direct, c'est-à-dire dans le sens passant, y est de l'ordre du volt comme on peut le voir à la figure 8 représentant les caractéristiques directe et inverse d'une diode au silicium 1200 volts - 200 ampères (Bien noter les échelles différentes adoptées sur cette figure pour les deux sens de tension et de courant). Le dépassement du coude de la caractéristique inverse est destructif pour les cellules de fabrication courante : elles perdent leur propriété de soupape. C'est donc l'origine de ce coude qui définit la tension inverse maximale de crête que peut supporter la diode et qui est désignée parfois par les sigles PIV ou PRV (Peak inverse voltage ou peak reverse voltage). Tant que cette valeur n'est pas dépassée le courant parasite que laisse passer la cellule dans le sens du blocage, dit courant inverse, se limite à quelques milliampères. Aussi les pertes en inverse ne représentent pas 1 % des pertes en direct. Ces dernières, elles, bien que très faibles en regard de la puissance transmise, représentent une puissance volumique importante. Par exemple, le passage du courant direct dans une cellule de 200 ampères moyens y engendre des pertes d'environ 240 watts qui, apparaissant dans un volume de 40 mm3 environ, représentent une puissance volumique de 6 kW/cm3. Or, le courant inverse croît exponentiellement avec la température et la fig. 8 montre qu'une élévation de température réduit la tension inverse que peut supporter la cellule.

Sur les locomotives, où la puissance mise en jeu et le nombre de cellules sont importants, la ventilation forcée des redresseurs est nécessaire. Plusieurs dispositions sont possibles.

Les diodes avec leurs radiateurs peuvent être constituées en un bloc parallélépipédique, cylindrique ou semi-cylindrique, renfermant un ventilateur qui aspire l'air entre les ailettes des radiateurs et le refoule vers la base du bloc,au sortir duquel il peut être réutilisé à d'autres fins : par exemple refroidissement du radiateur d'huile du transformateur, comme cela se pratique sur les BB 25100 et 25200, dont la fig. 10 reproduit un bloc redresseur.

Diodes et radiateurs peuvent encore être groupées en une armoire grillagée, disposée, comme l'étaient les réfrigérants d'eau des ignitrons, dans l'aspiration des groupes moto-ventilateurs des moteurs de traction. C'est la solution employée sur les BB 25500 et 17000 (fig. 11).

Fig.10 Bloc redresseur des BB25100 Semi-cylindrique, 2 blocs par locomotive

Fig.11 Bloc redresseur des BB25500 2 blocs refroidis par moto-ventilateurs des moteurs de traction

Sur les automotrices, nous adoptons maintenant la ventilation naturelle des redresseurs disposés sur la toiture, plus vaste que celle d'une locomotive alors qu'en général, le nombre de diodes est moindre. Le refroidissement des redresseurs est alors assuré uniquement par le courant d'air dû au déplacement de l'automotrice. Ce type d'installation se trouve sur l'automotrice Z 6009 (fig. 12) et sur celles des séries Z 6300 - Z 6509.

Un nouveau mode de conception des cellules (partie active et boîtier) a permis d'accroître leurs possibilités en intensité : dans cette conception, la partie active est comprise entre deux électrodes plates ou en forme de cuvette, enserrée entre deux radiateurs. Le refroidissement de la partie active est donc assuré par les deux faces ce qui permet d'admettre une densité de courant plus importante. La fig. 12 A montre côte-à-côte, une cellule de type classique et une cellule de la nouvelle technique dite "double face" ou encore "à pression" (ou d'une manière imagée "sandwich”). La conception "double face" intéresse non seulement les diodes mais aussi les thyristors (cellules contrôlées) dont nous parlerons plus loin, et on peut voir à la fig. 12 B comment se présente l'ensemble constitué par une cellule enserrée entre ses deux radiateurs. Le serrage est exercé par un tirant; les radiateurs assurent la conduction électrique en même temps que l'évacuation calorifique et les pattes de fixation de "l'élément redresseur" font aussi office de connexions.

L'automotrice Z 8001 (monophasée), les locomotives CC 21000 (bi-courant), BB 20200 (bi-fréquence) et BB 15000 (monophasée) sont ou seront dotées de cellules “double-face“. Dans certains cas, les éléments redresseurs seront constitués par deux cellules et leurs radiateurs en série, l'ensemble se présentant alors comme le montre la fig. 12 C.

Fig.12 : Cellules redresseurs en toiture Z 6009

Fig.12A : Classique et double face

Fig.12B : Cellule double face enserrée dans ses radiateurs

Fig.12C : élément redresseur constitué de Deux cellules en série

Pour situer l'ordre de grandeur des performances offertes par les cellules double face, donnons les caractéristiques des diodes des CC 21000 :
- tension inverse : 2000 V
- courant moyen : 600 A

Au passif des redresseurs au silicium, il faut noter :
- leur inaptitude aux surcharges prolongées,
- leur sensibilité au surtensions.

L'impossibilité pour les diodes au silicium de supporter des surcharges prolongées, ce qui ne veut pas dire qu'elles ne peuvent supporter aucune surcharge (Fig.13), découle de leur faible capacité thermique, due elle-même au faible volume de la partie active. Elle avait conduit à prévoir, au début de leur emploi, des fusibles ou appareils de coupure extra-rapides, au encore des court-circuiteurs transférant les défauts aux bornes de sortie du transformateur. Mais à l'usage toutes ces dispositions se sont révélées superflues, voire nuisibles parce qu'intervenant intempestivement, et on a reconnu qu'il était préférable d'adopter un nombre de diodes en parallèle suffisant pour que la protection soit assurée par l'ouverture du disjoncteur.
Il ne faudrait pas croire que ceci conduit systématiquement à surdimensionner le redresseur. En choisissant un schéma approprié, l'ensemble redresseur, calculé pour le courant de démarrage de la locomotive, est capable en cas de défaut, de supporter jusqu'à l'ouverture du disjoncteur, le courant de court-circuit. Celui-ci, limité par la réactance du transformateur (de l'ordre de 12 %), se situe aux alentours de 8 fois le courant nominal.

Fig.13 : Courbe de surcharge d'une cellule silicium

Fig.14 : Montages de protection aux surtensions des cellules silicium

Le problème de la sensibilité des cellules aux surtensions est résolu par : - le branchement de capacités ou d'éléments résistance-capacité entre leurs bornes, généralement en parallèle avec des résistances destinées à répartir uniformément la tension inverse totale entre les cellules en série (fig. 14). - le branchement, entre bornes de sortie du transformateur et entre bornes et masse, de dispositifs limiteurs de tension : éclateurs ou condensateurs généralement associés à des résistances non linéaires (fig. 15). - éventuellement 1'interposition d'écrans para~surtensions entre enroulements du transformateur. 1.4 - Masse, encombrement, rendement et entretien comparés des redresseurs à vapeur de mercure et des redresseurs au silicium. La masse et l'encombrement des redresseurs au silicium sont évidemment bien moindres que ceux des redresseurs à vapeur de mercure, pénalisés par leur circuit d'eau. Les tableaux ci~après en fournissent l'illustration.

Fig.15 : BB12000-Silicium - Protection contre les surtensions

Nous illustrerons l'amélioration du rendement qui résulte de l'emploi de redresseurs au silicium en reprenant l'exemple des BB 12000. Pour celles qui sont dotées d'ignitrons; en tenant compte de la puissance nécessaire à la climatisation des redresseurs, les pertes totales s'établissent à 90 kw pour une puissance

transmise de 2500 kw au régime continu de la locomotive, ce qui donne un rendement global de 96,5% Pour celles qui sont équipées de redresseurs au silicium, les pertes dans les redresseurs s'établissent comme suit : - Pertes en direct dans les cellules (pour 4000 A débité) ------- 30 kw - Pertes en inverse .--------------------------------------------------- 0,1 kW - Pertes dans les circuits RC de protection ------------------------ 0,2 kw - Puissance de ventilation --------------------------------------------- 4 kw d'où un total inférieur à 35 kW pour la puissance transmise de 2500 kw, ce qui donne un rendement global de 98,6%

Fig.16 : Courbes de rendement de redresseurs silicium et à vapeur de mercure

On peut noter que le rendement d'un équipement à redresseur silicium est pratiquement constant dès que la charge dépasse le 1/4 de la valeur nominale (fig. 16), ceci parce que les pertes en direct varient à peu près linéairement avec l'intensité.
Le rendement d'un équipement à redresseur à vapeur de mercure passe, au voisinage du 3/4 de la valeur nominale, par un maximum. La décroissance qui suit est due à l'augmentation de la chute de tension dans l'arc.

Les opérations d'entretien d'un équipement redresseur au silicium sont extrêmement réduites. Elles se limitent, lors des visites complètes de la locomotive, à un dépoussiérage et à un contrôle des cellules qui s'effectue au moyen d'un oscilloscope spécial permettant de vérifier leur caractéristique inverse. Les redresseurs à vapeur de mercure demandent évidemment un entretien plus complexe à cause de leur circuit d'eau : celui-ci doit être périodiquement vidangé, rincé et rempli en eau distillée avec antigel (dont on contrôle la proportion au début de la saison froide).
Pour clore ce chapitre de l'évolution du redresseur, il nous reste à parler du dernier venu: le redresseur au silicium contrôlé ou thyristor.

On sait qu'il est possible avec les redresseurs à vapeur de mercure, comme avec les thyratrons à gaz, d'obtenir une tension redressée de valeur moyenne variable en retardant plus ou moins l'instant d'amorçage du redresseur par rapport au passage par 0 de le tension alternative, ou autrement dit en modifiant ia valeur de l'angle d'amorçage (fig. 17).

Fig.17a : Redressement d'une tension sinusoïdale par diode	Fig.17b : Redressement d'une tension sinusoïdale par redresseur contrôlé. L’amorçage est retardé d'un angle réglable, ce qui permet d'obtenir une tension moyenne variable

Nous verrons par ailleurs que cette propriété est indispensable pour le pratique du freinage par récupération sur les locomotives à redresseurs. Or les diodes dont nous avons parlé précédemment ne la possèdent pas. Mais ce point faible des redresseurs à semi-conducteurs par rapport aux redresseurs à vapeur de mercure a disparu depuis l'avènement du thyristor dont le nom rappelle qu'il jouit de la propriété fondamentale du thyratron. L'emploi du thyristor a maintenant dépassé pour nous, le stade expérimental puisque six de nos engins moteurs en sont équipés, dont l'un depuis 1963 (l'automotrice Z 9055, devenue Z 6004 et toujours remaniée).   (Rappelons que ce texte date de 1968...) Par ailleurs les locomotives CC 21000, BB 15000 et les automotrices Z 6100 (à partir de la Z 6150) seront dotées de thyristors. Les figure 18 montre l'aspect extérieur d'un thyristor et sa constitution schématique. Un voit qu'il se présente comme une diode à laquelle sont ajoutés deux fils de faible diamètre. L'un d'eux, relié à la cathode, n'est là que pour faciliter les connexions entre circuit de commande et circuit de puissance. L'autre qui constitue l'électrode de commande est relié à une zone particulière de le jonction équivalente à la grille d'un thyratron. Comme nous l'avons dit précédemment, le thyristor a suivi la même évolution que les diodes et se réalise maintenant en version "double face". Une impulsion de courant envoyée entre l'électrode de commande et la cathode, pendant que la tension anode-cathode est positive, provoque le déblocage du thyristor. Mais l'électrode de commande n'a ensuite aucun pouvoir de reblocage : le thyristor cesse de conduire, comme une diode, quand sa tension anode-cathode devient négative.

CARACTERISTIQUES D'UN THYRISTOR
Caractéristiques directe et inverse sans courant de commande	Caractéristique pour différentes valeurs du courant de commande

L'allure des caractéristiques directe et inverse du thyristor sont données à la fig. 19. On voit que si la tension dans le sens direct atteint une certaine valeur VB0 le thyristor devient passant, même en l'absence de courant de commande. 0n 1'utilise donc normalement à des tensions inférieures à cette valeur qui, du reste, est généralement égale à la tension inverse que peut tenir le thyristor. Des thyristors que nous utilisons actuellement, celui de caractéristiques les plus élevées est défini pour la tension de 1200 volts (en direct et en inverse) et le courant moyen de 150 ampères. Comme les diodes, les thyristors doivent être protégés contre les surtensions et contre les surcharges. (Leur courbe de surcharge se situe au-dessous de celle d'une diode de mêmes caractéristiques de tension et de courant). Leur chute directe supérieure à celle d'une diode se situe aux alentours de 1,5 ä 2 volts. La commande de leur déblocage, assurée par des circuits électroniques, se fait généralement par 1'intermédiaire de îransformateurs d'impulsions à plusieurs secondaires (fig. 20), en nombre tel qu'il y ait au total autant de secondaires que de thyristors en série et en parallèle à commander simultanément.

Fig.20 : Commande d'un groupement de thyristors

Les tableaux qui sont donnés ci-après permettent de se rendre compte de l'importance du parc des locomotives à redresseurs et de son évolution, depuis les importantes séries à ignitrons (BB 12000 - 16000 - 16500) jusqu'à celles dotées de diodes au Silicium (BB 17000 - 25100 - 25200 - 25500), en passant par celles à excitrons pour la récupération pour finir par les engins à thyristors qui constituent déjà la formule d'avenir.

On peut y remarquer aussi l'achèvement de certaines séries à ignitrons par des engins à redresseurs silicium (exemple des BB 12000 et des BB 16500 - 16700), et aussi la tendance à remplacer les redresseurs à vapeur de mercure par des redresseurs silicium sur les locomotives qui ont à subir une importante révision accidentelle. Des séries à diodes silicium et graduateur seront prolongées avec réglage de tension assuré par thyristors (cas des Z 6100 citées plus haut).

LOCOMOTIVES ET AUTOMOTRICES A REDRESSEURS

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Chapitre 2