La Locomotive à redresseurs

4 - La réduction de champ sur les locomotives à redresseurs - Shuntage continu à thyristors.

5 - Le freinage par récupération sur les locomotives à redresseurs

• 5.1. Généralités sur la freinage électrique : freinage rhéostatique, freinage par récupération.
• 5.2. Mise en oeuvre du freinage par récupération
• 5.3. Influence du choix du type de redresseurs
• 5.4. Détermination du compoundage
• 5.5. Réglage de l'effort de retenue. Séquence de fonctionnement de l'équipement en récupération.
•        5.5.1. Flux inducteur
•        5.5.2. Intensité récupérée
•        5.5.3. Séquence type

4 - La réduction de champ sur les locomotives à redresseurs - Shuntage continu à thyristors.

Bien que sur les locomotives à redresseurs tous les crans de réglage de la tension (1) soient des crans "économiques", n'entraînant pas de perte d'énergie dans un rhéostat, on utilise cependant la réduction du champ des moteurs de traction.
Elle permet, en effet, d'obtenir des efforts élevés à grande vitesse sans accroissement de la tension, donc sans sur-dimensionnement des moteurs, des redresseurs et du transformateur.
Il faut ici considérer le terme "cran" dans son sens le plus large, c'est-à-dire : soit position du graduateur dans le cas du réglage par prises, soit valeur de l'angle d'amorçage dans le cas du réglage par redresseurs contrôlés.

Traditionnellement la réduction de champ, ou shuntage, est obtenue par branchement de résistances en parallèle sur les inducteurs, branchement qu'assurent les contacteurs de shuntage (fig.45bis(a)). En outre, une inductance (shunt inductif) est généralement insérée dans le circuit des résistances pour assurer une répartition correcte du courant total au cours des régimes transitoires.(Nous avons du reste évoqué cette question dans le chapitre précédent)./p>

En régime permanent le courant, ou plus exactement sa composante continue puisqu'il s"agit d'un courant ondulé, se partage entre inducteur et résistances de shuntage en fonction inverse des résistances de ces deux circuits.

On conçoit que, si au lieu d'offrir au courant en permanence un chemin dérivé résistant, on lui offre périodiquement un chemin dérivé sans résistance (ou presque), la valeur moyenne du courant dans les inducteurs puisse être la même.
Autrement dit le même taux d'excitation peut être obtenu ou presque, de telle sorte que la valeur moyenne du courant inducteur soit la même.

Si les temps d'ouverture et de fermeture du circuit dérivé sont faibles en regard de la constante de temps des inducteurs, le courant ne s'interrompt pas dans ceux-ci et son allure y est faiblement ondulée.

Ce mode de réglage de l'excitation peut être facilement pratiqué sur une locomotive à redresseurs; il suffit d'ajouter au schéma en pont habituel, deux bras auxiliaires à thyristors comme il est représenté à la fig. 45bis(b).

Fig45bis(a) Méthode classique : Shuntage discontinu

Fig45bis(b) Par thyristors : shuntage continu

En amorçant le thyristor T1 au cours de l'alternance de conduction des diodes D1 et D3, et le thyristor T2 au cours de l'alternance de conduction des diodes D4 et D2, on shunte d'autant plus l'inducteur que l'amorçage des thyristors se fait tôt.

Bien entendu, la figure est simplifiée et il faut, en r6alité, prévoir autant de cellules en parallèle que le nécessite :
      - pour les diodes : le courant d'induit.
      - pour les thyristors : le courant dérivé.
Pour tenir la tension, un seul thyristor peut suffire. En effet, en régime permanent la tension aux bornes des inducteurs n'est que de quelques dizaines de volts.
D'autre part, les surtensions accidentelles sont forcément limitées dans le sens direct à la valeur RI transitoire et dans le sens inverse elles se répartissent, comme la tension de régime permanent, entre le thyristor et les diodes en série.

La résistance R est la résistance de shuntage permanent dont le rôle a été précisé au chapitre précédent à propos du moteur à carcasse feuilletée. Il est à noter toutefois qu'elle est ici nécessaire même si le moteur est à carcasse massive : un circuit de décharge aux bornes des inducteurs est en effet indispensable pour que, durant la fraction de période où ils sont amorcés, les thyristors puissent dériver un courant appréciable.

Ce mode de shuntage peut s'employer aussi bien avec un pont redresseur à thyristors qu'avec un pont redresseur à diodes.
Le plus simple dans ce cas, du point de vue “commande", est de ne faire intervenir les thyristors de shuntage qu'une fois la pleine tension atteinte, c'est-à-dire à partir du moment où les thyristors principaux sont totalement débloqués.

On se retrouve donc dans les mêmes conditions de fonctionnement qu'avec un pont redresseur à diodes.
éventuellement, on peut aussi pratiquer le shuntage sans que la pleine tension soit nécessairement atteinte; mais c'est au prix d'une complication de la commande puisqu'il faut alors conserver un écart convenable entre les impulsions d'amorçage des thyristors de shuntage et les impulsions d'amorçage des thyristors principaux.

Le réduction de champ par thyristors fait disparaître contacteurs et résistances de shuntage, apportant ainsi une intéressante réduction de l'appareillage de puissance. Toutefois, elle ne trouve son plein intérêt que sur les engins où le réglage de la tension se fait également par thyristors, car ainsi le réglage de l'effort de traction se fait continûment dans toute la gamme d'utilisation de la locomotive. Les possibilités offertes par l'adhérence sont alors utilisées au mieux et la locomotive acquiert un maximum de souplesse favorable à l'utilisation d'un système de régulation de vitesse

Le shuntage continu par thyristors, expérimenté sur l'automotrice prototype Z 6009, sera utilisé sur les automotrices de la série Z 6100 à partir de la Z-6121. (Rappelons que ce texte a été écrit en 1968).
Il sera associé au réglage de tension par thyristors (au lieu du réglage par graduateur BT jusque là utilisé) à partir de l'automotrice Z 6150.
On 1'envisage également pour les locomotives monophasées BB 15000 actuellement à 1'étude.

5 - Le freinage par récupération sur les locomotives à redresseurs

Le freinage électrique, qu'il soit à récupération ou rhéostatique, assure une économie de sabots et une réduction de l'usure des tables de roulement des essieux. Il procure en outre une grande souplesse de conduite, sur les lignes à profil accidenté surtout.

Pour être efficace en tant que freinage de maintien d'un train (nous ne parlons pas du freinage électrique de la locomotive utilisé conjointement au freinage pneumatique de la rame lors des arrêts), le freinage rhéostatique nécessite l'installation d'un rhéostat dimensionné pour une puissance continue supérieure à 1500 KW. Il comporte donc forcément des ventilateurs, en plus des résistances et des contacteurs. Les suppléments de poids et de prix qui en résultent ne se justifient pas pour une locomotive monophasée pure.

Pour une locomotive bi-courant, la situation est très différente, puisque la locomotive est déjà dotée d'un rhéostat nécessité par le fonctionnement en courant continu, dans l'état actuel des choses tout au moins.

Le freinage par récupération, au contraire peut être obtenu au moyen de modiques supplément de poids et de prix. Par exemple sur nos locomotives BB 16656 å 16750, l'équipement de récupération comprend :        - un commutateur à tambour traction-freinage, qui dispose les circuits de traction soit pour la marche en traction, soit pour la marche en freinage.        - deux contacteurs de ligne, qui assurent la protection en cas de court- circuit provoqué, par exemple, par un manque de tension caténaire ou par une reconduction des excitrons utilisés en onduleurs,        - deux résistances de stabilisation dont le rôle est triple : équilibrer les intensités débitées par les deux moteurs, réduire la variation d'intensité consécutive à une variation de tension de l'onduleur, enfin limiter le courant de court-circuit dans les cas mentionnés précédemment,        - un groupe transformateur - self saturable - redresseurs qui fournit l'excitation des moteurs de traction utilisés en génératrices à excitation séparée réglable

Fig.46 : Courbes effort-vitesse des BB16500

Le freinage par récupération permet, en outre, de maintenir l'effort de retenue jusqu'à 1'arrêt : ceci apparaît à la fig. 46 qui représente les caractéristiques "effort de freinage - vitesse" des locomotives BB 16656 å 15750. Cette intéressante propriété résulte de ce qu'il est possible de réduire la tension de l'onduleur que l'on oppose à la f.e.m. des génératrices, au fur et à mesure que celle-ci proportionnelle à ls vitesse, diminue. C!est ce qu'illustre de façon schématique la fig. 47 où U représente la tension moyenne de l'onduleur et E la f.e.m. des génératrices. On voit qu'en augmentant progressivement l'angle de déblocage de l'onduleur, on peut réduire puis inverser U, de façon à maintenir constant l'écart E - U jusqu'à l'annulation de E. Le courant débité par les génératrices reste alors constant. Par conséquent si l'excitation est elle-même maintenue constante, le couple de retenue est conservé jusqu'à l'arrêt complet; d'ailleurs s'il est maintenu au-delà de cet instant la locomotive part en sens inverse, avec inversion de E. L'ensemble transformateur-redresseur se comporte donc exactement_comme un groupe tournant dont on règle à volonté la tension à des valeurs positives, nulle ou négatives (fig. 48); la souplesse d'emploi est comparable. Sur le plan énergétique, le freinage par récupération apporte un gain d'énergie, qui est évidemment très variable selon le service assuré et le profil des lignes. Des mesures très complètes effectuées avec des trains de diverses charges et diverses catégories ont montré que sur des lignes telles qu'EPERNAY-REIMS et retour, comportant des déclivités de 9 °/oo,ou VALENCIENNES - CHARLEVILLE et retour, comportant des déclivités de 10 °/oo, la récupération apporte une économie de :        - 18 à 25% pour les trains de marchandises,        - 10 à 20% pour les trains de voyageurs.

La fig. 49 permet de comparer les consommations spécifiques au pantographe relevées pour divers trains sur EPERNAY - REIMS et retour, avec et sans récupération.

Fig.48 : Schéma équivalent à l'ensemble transformateur-redresseur-moteur de traction	REIMS-EPERNAY A.R. : consommations spécifiques au pantographe en fonction de la charge des trains
Représentation schématique du circuit de puissance en traction et en récupération

Les principes généraux de réalisation du freinage par récupération sur une locomotive à redresseurs sont les suivants :
a) comme sur une locomotive à courant continu, l'excitation série des moteurs ne peut être conservée lors du fonctionnement en génératrice car elle conduit à un système électriquement et mécaniquement instable.
b) il ne suffit pas de rendre la f.e.m. du moteur supérieure à celle du groupe transformateur-redresseur pour obtenir le fonctionnement en récupération, car la conduction unidirectionnelle des redresseurs empêche le renversement du courant. Toutefois il n'est pas nécessaire comme dans une sous-station à courant continu, de changer le sens de branchement des redresseurs. Puisqu'ici on est maître de la f.e.m. des moteurs, il est plus simple de changer le sens de cette f.e.m. par inversion de la polarité des inducteurs, en même temps que l'on remplace l'excitation série par l'excitation séparée.
La fig. 50 schématise le passage de la traction à la récupération. c) le fonctionnement naturel des redresseurs ne peut être conservé car il conduit au court-circuit les f.e.m. du moteur et du groupe transformateur-redresseur s'ajoutant (fig 51 a). Il en serait de même dans le cas ou 1'on aurait inversé les connexions des redresseurs comme en sous-station (fig. 51b) au lieu d'inverser la f.e.m. des moteurs. Il faut donc recourir au fonctionnement contrôlé des redresseurs pour qu'à un instant donné soit bloqué le redresseur qui naturellement aurait assuré la conduction et inversement. C'est ce qui apparaît à la fig. 52.

d) Il faut encore libérer suffisamment tôt le redresseur qui doit prendre la conduction afin que celle-ci cesse dans l'autre avant le passage par 0 de la tension.

Fig.52 : Fonctionnement du groupe transformateur-redresseur en onduleur pour la marche en récupération

L'avance avec laquelle on libère tour à tour les redresseurs est l'angle de déblocage représenté à la fig. 52. Si la valeur de cet angle est insuffisante, le redresseur que l'on désire "éteindre" (par exemple le redresseur 1 de la fig. 52c) conduit encore lorsque sa tension d'anode devient supérieure à celle de l'autre redresseur (point N des fig. 52a et c). Celui-ci ne peut alors conserver la conduction qu'il commençait à assurer : au lieu que la commutation s'achève normalement, c'est le premier redresseur qui reprend seul la conduction, ce qui entraîne le court-circuit de l'ensemble moteur-redresseur-transformateur. Le fonctionnement en récupération repose donc sur une commutation correcte d'un redresseur sur l'autre, et par suite un raté d'allumage, qui n'a pas d'importance en traction, devient ici dangereux pour l'équipement électrique du fait de la surintensité, et dangereux pour la partie mécanique à cause de l'accroissement brutal du couple résistant. En outre,comme il entraîne l'ouverture du disjoncteur, le freinage électrique est supprimé et il faut le relayer au plus vite par le freinage pneumatique. La valeur minimale à donner à l'angle de déblocage pour éviter la reconduction et ses conséquences, est la somme :        - de l'angle de commutation u       - et d'un angle de garde , lui-même somme de l'angle de désionisation du redresseur et d'un angle de sécurité        soit :        min = u + = u +

dépend essentiellement, pour un redresseur à vapeur de mercure, de sa géométrie. Il se situe habituellement entre 10 et 20°. Pour fixer l'angle de sécurité il faut tenir compte des déformations possibles de l'onde de tension en ligne. Ainsi le figure 53 montre comment les harmoniques de tension peuvent déformer l'onde sinusoïdale théorique. On voit que le passage par 0 de la tension peut être avancé de B en A, soit de l'angle . Il faut donc augmenter d'autant l'angle de sécurité. On arrive finalement à des valeurs de 1'angle de garde = + de l'ordre de 40° L'angle de commutation u croît avec la charge; plutôt que de considérer sa valeur maximale pour la détermination de min, il est préférable de prévoir un dispositif de compoundage qui fasse augmenter la valeur de min avec l'intensité récupérée. Ainsi on ne réduit pas inutilement les performances de l'onduleur. Pour fixer les idées, la valeur minimale adoptée pour l'angle de déblocage les excitrons des BB 16656 à 16750 est min = 50° à charge presque nulle, mais le compoundage la porte à min ~ 60° pour l'intensité maximale en récupération qui est de 1000 A

Fig.53 : Influence des harmoniques sur la sécurité de fonctionnement de l'onduleur

On sait que dans un redresseur à vapeur de mercure l'arc ne peut s'amorcer si les grilles entourant l'anode sont soumises à une tension négative, mais que, par contre, si 1'arc est déjà amorcé, la mise sous tension négative des grilles n'a aucun effet : elle ne provoque pas l'extinction de l'arc.

Avec le redresseur excitron, puisque la tache cathodique y est entretenue en permanence par un arc auxiliaire, il suffit pour obtenir 1'amorçage d'envoyer une impulsion de tension positive sur les grilles.

Dans le redresseur ignitron, rappelons-le, la tache cathodique est provoquée, à chaque fois que le redresseur doit assurer la conduction, par une impulsion de courant envoyée à l'igniter. Ceci ne dispense pas cependant d'agir sur les grilles pour obtenir un fonctionnement correct du redresseur. (Même en traction, on rend les grilles négatives dès le début de la phase de non conduction pour obtenir une désionisation rapide du redresseur et éviter son allumage en retour).

Pour obtenir l'amorçage de l'ignitron dans le fonctionnement en onduleur, il faut donc à la fois rendre les grilles positives et envoyer l'impulsion d'igniter. la probabilité de raté d'allumage, avec les conséquences que nous avons vues précédemment, apparaît plus élevée avec l'ignitron qu'avec l'excitron.
Ce dernier cependant présente aussi un risque de raté d'allumage : il peut être sujet au soufflage de l'arc d'entretien, surtout s'il est à cathode non isolée.
Il arrive alors que l'arc d'entretien vienne s'accrocher sur les parois de la cuve où se produit la condensation de la vapeur de mercure, ce qui entraîne la disparition de la tache cathodique. Par suite 1'arc principal ne peut plus s'amorcer au moment opportun.

Toutefois, l'expérience a montré l'importance de l'écran de cathode, sorte de cage à potentiel neutre, dont le rôle est de limiter le déplacement de la tache cathodique à l'intérieur de l'anneau de quartz disposé sur le fond de la cathode. Si la forme de l'écran et son dimensionnement sont bien étudiés, le risque d'accrochage de l'arc d'entretien sur les parois se trouve supprimé. Le cas des excitrons équipant nos locomotives, dont l'écran de cuve a été modifié, le confirme.

Les redresseurs au silicium contrôlés ou thyristors sont, nous l'avons vu, naturellement bloqués, pourvu qu'on ne leur fasse pas supporter des tensions directes et inverses trop élevées. On provoque leur amorçage par une impulsion de courant entre électrode de commande et cathode, mais une fois le redresseur amorcé l'électrode de commande n'a plus aucune action sur le débit. Le fonctionnement des thyristors est comparable à celui des redresseurs excitrons. Toutefois, ils permettent d'adopter un angle de garde (angle sur la fig. 52) plus faible.

En effet, l'équivalent de l'angle de désionisation du redresseur à vapeur de mercure (angle que nous avions précédemment appe1é ) est, pour le redresseur contrôlé, son angle du retour (on emploie aussi la désignation "angle de recouvrement"). Il correspond au temps nécessaire pour que la séparation des porteurs de charges positives et négatives, au sein du semi-conducteur, redonne au redresseur ses propriétés de blocage; il est inférieur au degré.

En effet, l'équivalent de l'angle de désionisation du redresseur à vapeur de mercure (angle que nous avions précédemment appe1é ) est, pour le redresseur contrôlé, son angle du retour (on emploie aussi la désignation "angle de recouvrement"). Il correspond au temps nécessaire pour que la séparation des porteurs de charges positives et négatives, au sein du semi-conducteur, redonne au redresseur ses propriétés de blocage; il est inférieur au degré. On peut donc réduire de 10° au moins la valeur de 1'angle de garde adoptée avec les redresseurs à vapeur de mercure, dont 1'angle de désionisation se situe, nous l'avons vu entre 10 et 20° (ex. sur la BB 20006 à thyristors, 1'angle de garde est d'environ 30°).

BB20006

Comme lorsqu'on pratique le réglage d'angle en traction, 1'angle de commutation u diminue lorsque 1'angle d'amorçage approche de 90°. La relation liant ces deux angles, voisine de celle rencontrée pour la traction est, en employant toujours les mêmes notations (voir paragraphe 2.7.3.).

min = u +

Appliquée à la valeur min de 1'angle d'amorçage la relation (1) donne :

Le terme dépend des caractéristiques du transformateur. Si différentes prises sont utilisées, il varie selon les prises. Toutefois pour ne pas compliquer outre mesure le coupoundage, on peut ne considérer que la plus grande des valeurs du rapport relativement aux différentes prises.

C'est cette valeur en effet qui conduit au minimum de cos min donc à la plus grande valeur de min, ce qui va dans le sens de la sécurité.

La loi du ccmpoundage est donc finalement une loi de variation linéaire de cos min en fonction de I.

Le couple de retenue de forme k I, c'est-à-dire proportionnel au flux inducteur et à l'intensité récupérée I, peut être réglé en agissant sur 1'un ou 1'autre de ces facteurs.

a) Pour avoir un effort de retenue important sans intensité excessive, on cherche à donner au flux la valeur la plus élevée possible. Toutefois, il ne faut pas qu'à la vitesse maximale, la f.e.m. du moteur donnée par la formule :

E = kV

b) Par ailleurs, le flux doit toujours rester au-dessous, d'une valeur maximale max telle que l'échauffement admissible par les enroulements inducteurs ne soit pas dépassé. Le flux peut donc varier entre les limites mini et max : ceci fixe les limites extrêmes de l'excitation séparée.

La seule action sur le graduateur ne permet la variation de la tension moyenne que du maximum à  0.
Par contre, l'action sur l'angle d'amorçage permet d'obtenir des valeurs négatives de la tension moyenne, ce qui fait du freinage par récupération un freinage d'arrêt, ainsi qu'on l'a vu précédemment.

5.5.3. la séquence type utilisant au maximum les possibilités offertes par l'ensemble génératrice-onduleur est celle qui est représentée à la fig. 54. Elle fait appel successivement en allant de la vitesse maximale à  l'arrêt: 1°) - au réglage de tension par graduateur : ce sont les crans d'approche sur lesquels l'intensité récupérée est inférieure à  la valeur nominale. En effet la f.e.m. des génératrices est la même qu'au point P auquel on a : (E - U)/R = Inominale tandis que la tension de l'onduleur est plus élevée. 2°) - au réglage de l'excitation : Du point P au point S, l'intensité d'excitation est progressivement augmentée de façon à maintenir la f.e.m. des génératrices à  sa valeur maximale malgré la diminution de la vitesse. L'intensité récupérée reste alors constante: I = (Emax - U(constant)) / R et la courbe effort-vitesse se traduit par une hyperbole d'équipuissance, puisque : F = kI = k (Emax / V)I d'où : FV = k (Emax [Emax - U(constant)]) / R

Fig.54 : Séquence type de freinage par récupération

3°) - au réglage par graduateur (pour la seconde fois).
Du point S un point M l'excitation est maintenue à sa valeur maximale et le graduateur ramené de quelques crans. Ceci permet de retarder l'utilisation du réglage d'angle, de façon qu'au cours de la phase suivante l'effort de retenue soit conservé à la même valeur jusqu'au moment où atteint sa valeur maximale.

4°) - au réglage d'angle Cette dernière phase permet de maintenir l'effort de retenue jusqu'à l'arrêt complet ainsi qu'on l'a déjà indiqué, en faisant varier jusqu'au-delà  de 90°.

Remarquons que l'utilisation de la séquence type n'est pas impérative. Il se peut que les seuls réglages de l'excitation et de l'angle de déblocage assurent des performances de freinage satisfaisantes, ce qui dispense de faire appel au réglage par graduateur. Le fonctionnement de l'équipement en est simplifié, et la contrainte des redresseurs réduite si l'on utilise une prise suffisamment basse du transformateur pendant le freinage. C'est cette disposition qui a été retenue pour nos locomotives BB 16656 à 16750 (dont les caractéristiques effort-vitesse ont déjà  été données à la fig. 46) et sur la locomotive à  thyristors BB 20006. On l'a également conservée sur la locomotive BB 16 685 qui a reçu un équipement à thyristors.

Le réglage de l'excitation se fait sur les BB 16656 à  16750 (à redresseurs excitrons) au moyen de selfs saturables; on peut aussi utiliser des amplificateurs magnétiques : ce sont là des dispositions simples et robustes, mais lourdes. Là encore l'avenir est à thyristor.

Dans tous les cas, on obtient une commande très progressive et très souple, qui rend le freinage par récupération très apprécié des conducteurs sur les lignes à  profil difficile, telle la ligne Dôle - Vallorbe comportant des déclivités de 22°/°° où la charge attribuée aux locomotives à excitrons était de 600 tonnes à la montée, 1000 tonnes à la descente (des locomotives BB 25 500 bi-courant ont remplacé sur cette ligne les BB 16500 monophasées).

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