Technique
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La BB 36000
Technique
par Alain Jeunesse, SNCF, Direction du Matériel et de la Traction et Marc Debruyne, Alstom Transport
Article avec
schémas sur le site de Marc Dufour : http://www.emdx.org/rail/BB36000/
Les réseaux ferroviaires européens fonctionnant sous diverses tensions et fréquences,
une nouvelle locomotive a été conçue pour le trafic international.
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La naissance de "corridors fret", souhaitée par la communauté européenne
et réalisée par les réseaux ferroviaires, entre la Belgique (Muizen proche d'Anvers) et
Sibelin près de Lyon en France via Bettembourg au Luxembourg, avec des prolongements vers
Turin ou Milan, exige des locomotives "passe frontières" ayant une forte
productivité. Ces machines doivent être capables de tracter leur train de bout en bout
sans arrêts aux frontières. Pour accomplir ce service international, il est nécessaire
de concevoir un engin de traction qui, en plus du fonctionnement sous les alimentations
françaises 25kV 50Hz monophasé, et l500V continu, doit être capable de fonctionner sous
l'alimentation 3000V continu de nos voisins belges et italiens. Il serait également
souhaitable que certaines variantes puissent fonctionner sous l'alimentation 15kV 16,66Hz
monophasé des réseaux allemand et suisse. Ainsi, la première exigence de l'opérateur
est de disposer d'une locomotive multitension européenne de forte puissance, ayant des
caractéristiques de traction identiques sous les diverses tensions d'alimentations.
La locomotive BB 36000 constitue une réponse aux attentes d'une part, de l'exploitant
(SNCF), qui souhaite disposer d'une machine apte au trafic international, et d'autre part,
à celui du constructeur (Alstom) qui complète ainsi son "catalogue" à
l'exportation avec une locomotive à moteur asynchrone. Cette nouvelle locomotive est un
prolongement naturel de la locomotive BB 26000 équipée de moteurs synchrones auto
pilotés. Ces deux machines présentent le caractère d'universalité de service; elles
sont aptes toutes les deux à tracter aussi bien un train de voyageur rapide qu'un train
de marchandise lourd. Leur définition correspond à une puissance à la jante de 5,6MW et
un effort au démarrage de 320kN. Ces performances leur confèrent les aptitudes aux
services suivants: - remorque d'un train de voyageur de 16 voitures à 200 km/h en rampe
de 2,5 o/oo, - remorque d'un train de marchandise de 2050 t à 80 km/h en rampe de 8,8
o/oo.
Pour la conception de cet engin de traction "passe frontières" exigé par le
développement du trafic marchandise "fret", et par l'ouverture des réseaux à
de nouveaux opérateurs, la SNCF et le constructeur Alstom ont fortement souhaité que la
définition de la locomotive BB 36000 évolue et porte également sur les aspects liés au
respect de l'environnement ferroviaire et public.
2.1 Exigences CEM
L'admission sur les réseaux étrangers comme sur le réseau français, nécessite de
respecter les exigences en matière de compatibilité électromagnétique (CEM) des
nouvelles normes européennes EN 50 121. Ces exigences imposent de limiter les émissions
électromagnétiques pour ne pas perturber la réception des émissions de radio et de
télévision de nos riverains. Elles imposent aussi de protéger également les
équipements électroniques embarqués vis-à-vis des agressions internes dues au
fonctionnement des convertisseurs de forte puissance, mais aussi des agressions externes
dues aux émetteurs de radiodiffusion, aux téléphones portables, etc.
2.2 Compatibilité avec les réseaux téléphoniques
Les exigences d'accès aux réseaux ferrés imposent également aux engins moteurs de
limiter le niveau des courants perturbateurs susceptibles de parasiter les liaisons
téléphoniques entre les centraux et les abonnés. Cette exigence est caractérisée par
le niveau de courant psophométré. Cette grandeur est définie par l'UIT (Union
Internationale de Télécommunications) comme une somme quadratique des composantes
harmoniques du courant appelé à la caténaire affectées de coefficients pondérateurs
traduisant leur influence sur l'oreille humaine. Elle se définie comme suit:
Ipso = racine(somme(pf * Ih)^^2))
avec,
Ih : valeur efficace de l'harmonique de courant à la fréquence f (f<5kHz)
pf : poids attribué à la fréquence f ; la valeur de pf est maximale et proche de 1
entre 800 et 1200Hz.
Cette grandeur Ipso est communément appelée Intensité perturbatrice équivalente : IPE.
L'objectif fixé au constructeur pour la BB 36000 est de réduire par 5 environ le niveau
d'émission d'une locomotive classique telle que la BB 26000 dont la valeur maximale est
de l'ordre de 10 A sous alimentation 25kV 50Hz.
2.3 Économie d'énergie
La compatibilité entre l'engin moteur et les alimentations monophasées de traction
électrique demande également de réduire la consommation d'énergie réactive. Ainsi le
facteur de puissance lambda de l'engin moteur doit être maintenu proche de l'unité. Pour
respecter ces exigences le constructeur a mis en oeuvre un convertisseur d'entrée
fonctionnant en commutation forcée capable de contrôler l'énergie réactive consommée
(PMCF: pont à commutation forcée). Ce type de convertisseur, totalement réversible,
permet le freinage par récupération d'énergie.
2.4 Respect de l'environnement
Les engins de puissance récents utilisent le Fréon comme fluide caloporteur pour
évacuer les pertes des semi-conducteurs de puissance. L'utilisation de ce produit est
aujourd'hui limitée par la convention de Montréal. Cette nouvelle locomotive met en
oeuvre une technologie de refroidissement des semi-conducteurs de puissance utilisant tout
simplement l'eau.
2.5 Disponibilité opérationnelle et maintenance
Un des soucis majeurs de l'exploitant est d'assurer la régularité de son trafic et
d'offrir à ses clients une qualité de service tout en intégrant les inévitables
défaillances du matériel de traction. Pour un service fret, la SNCF a fixé comme
objectif une réduction maximale de 25% des performances de traction sur panne simple d'un
équipement.
Un des autres besoins de l'opérateur est de réduire ses coûts de maintenance en
limitant les temps d'immobilisation des engins pour dépannage et réparation.
La solution proposée par le constructeur est basée sur un ensemble de convertisseurs
reconfigurable en cas de défaillance de l'un d'entre eux, et sur l'emploi de structures
modulaires légères aisément démontables et réparables.
Le choix du schéma de puissance a été guidé par le cahier des charges fonctionnel
de la SNCF qui avait formulé le souhait d'avoir une locomotive universelle européenne
possédant entre autres les atouts suivants:
- pouvoir réaliser les mêmes performances sous diverses tensions d'alimentation
utilisées en Europe, c'est-à-dire garder la même courbe effort-vitesse en 25kV - 50Hz,
3000V CC et 1500V CC, - respecter les impositions des réseaux en matière de facteur de
puissance et de courant perturbateur équivalent (IPE), - être pourvue d'un freinage
électrique à récupération et rhéostatique, - avoir une disponibilité en service
améliorée par rapport à la BB 26000 (version bi-tension à bogies monomoteurs équipée
de chaînes de traction synchrone).
Le respect de la spécification a conduit à adopter un schéma de puissance divisé en 4
convertisseurs d'entrée et 4 onduleurs moteurs susceptibles d'être isolés un par un en
cas de défaillance, ce qui assure une fiabilité de service optimale.
3.1 Les convertisseurs d'entrée
3.1.1 Alimentation monophasée
Sous alimentation monophasée 25kV - 50Hz un transformateur à 4 enroulements secondaires
abaisse la tension à 1450 V à l'entrée de quatre ponts monophasés à commutation
forcée (PMCF) à GTO qui ont leurs sorties toutes connectées en parallèle pour
constituer un bus commun de tension continue 2750 V.
Le PMCF, redresseur à modulation de largeur d'impulsion, a plusieurs
fonctions:
- délivrer une tension continue en sortie,
- maintenir le facteur de puissance proche de l'unité,
- diminuer les courants harmoniques renvoyés en ligne (IPE).
Le filtrage du courant secondaire du transformateur est assuré par la self de fuite de ce
dernier choisie volontairement importante pour minimiser les courants perturbateurs (IPE).
C'est la raison pour laquelle la tension de court-circuit primaire-secondaire est de 37%
alors qu'avec un redresseur d'entrée à pont mixte à thyristors la tension de
court-circuit était communément prise à environ 15%.
Côté sortie, la tension redressée de 2750V est filtrée par des condensateurs et un
circuit LC série accordé au double de la fréquence réseau destiné à réduire à
quelques pourcents l'ondulation 100Hz sur le bus commun. Cela évite d'exciter la
transmission mécanique par des battements entre le bus et l'onduleur quand ce dernier
fonctionne à une fréquence proche de 100Hz.
Pour améliorer le facteur de forme du courant ligne, le PMCF utilise la technique de
découpage MLI (modulation de largeur d'impulsion) et l'entrelacement; cette méthode
permet de repousser en fréquence les premiers harmoniques de courant. Avec 4 PMCF
décalés et une fréquence de commutation des GTO de 300Hz, les premiers harmoniques
réguliers se situent autour de 2400Hz, ce qui permet de respecter le niveau d'IPE de 2A.
L'équilibrage des courants secondaires des 4 PMCF est assuré par 4 boucles de
régulation de courant recevant une consigne unique émise par le régulateur de tension
continue qui, lui, n'est réalisé qu'une seule fois par le PMCF maître.
3.1.2 Alimentation sous tension continue
Sous tension continue, les convertisseurs d'entrée sont reconfigurés en hacheur
élévateur sous 1500V, en hacheur abaisseur type série-parallèle (HSP) sous 3000V.
Un filtre d'entrée lui aussi reconfigurable limite les harmoniques renvoyés au réseau.
Il est constitué d'un circuit LC avec un filtre court-circuiteur 50Hz connecté en
parallèle sur le condensateur. Ce filtre atténue le 50Hz produit par les onduleurs
moteurs et permet ainsi de respecter les gabarits de courant imposés par les circuits de
signalisation 50Hz.
3.1.3 Fonctionnement en 3000V
En 3000V, l'énergie transite par 4 convertisseurs qui régulent deux bus indépendants
Uf1 et Uf2 réglés à 2750V tant que la tension caténaire reste supérieure à 3000V. Au
dessous de 3000V la tension bus est réduite, le courant ligne est limité.
On constitue ainsi un convertisseur global HSP à 4 cellules en parallèle. Les GTO des
modules commutent tous à 300Hz. Dans un même bras ils sont complémentaires, dans un
même convertisseur ils sont calés à 180°.
Les convertisseurs 1 et 4 sont en phase, 2 et 3 calés à 90° par rapport à 1,4; ce
déphasage réduit les harmoniques de courants côté ligne en quadruplant la fréquence
de commutation de base de 300Hz en fonctionnement normal; ce déphasage est maintenu quel
que soit le nombre de convertisseurs en service. En cas d'isolement d'un convertisseur par
exemple on retrouve des harmoniques de courant 600Hz côté réseau au lieu de 1200Hz.
La régulation de chaque bus est indépendante, le convertisseur maître supérieur, N°1
par exemple, régule le bus Uf2, et inversement le convertisseur maître inférieur, N°2
par exemple, régule Uf1. Une boucle de courant interne équilibre les courants entre les
deux convertisseurs connectés en parallèle sur le même bus de tension.
En régime équilibré de traction les convertisseurs supérieurs fonctionnent en hacheur
abaisseur dit "série" avec Uf1 en entrée, Uf2-Uf1 en sortie tandis que les
convertisseurs inférieurs fonctionnent en hacheur élévateur dit "parallèle"
avec cette tension Uf2-Uf1 en entrée et Uf2 en sortie, d'où le nom de hacheur
série-parallèle.
3.1.4 Fonctionnement en l500V
Sous 1500V, le schéma de puissance subit un léger changement par rapport au HSP dans la
connexion des points communs des 4 selfs.
Les convertisseurs fonctionnent tous en hacheur élévateur et maintiennent les bus à
2750V Comme en HSP les convertisseurs sont décalés avec les mêmes déphasages, soit 1
et 4 en phase, 2 et 3 déphasés de 90° par rapport à 1,4; la fréquence de commutation
des GTO est toujours de 300Hz. Les principes de régulation sont similaires, un
convertisseur maître régule la tension de son bus continu, une boucle de courant interne
équilibre les courants dans les deux convertisseurs connectés en parallèle côté bus.
3.2 les onduleurs de traction
L'étage de sortie se compose de 4 groupes onduleurs moteurs indépendants. Sous
alimentation monophasée, les 4 onduleurs de tension sont connectés au bus commun unique,
dans le cas de l'alimentation continue, 1500V ou 3000V, il y a 2 onduleurs en parallèle
sur chacun des deux bus continus Uf1 et Uf2.
Les onduleurs peuvent fonctionner sous une tension bus d'entrée variable de 1500V à
2750V, valeur nominale. En régime nominal pleine onde, la tension entre phases moteur
atteint 2070V. A vitesse maximum 220 km/h, la fréquence stator est de 140Hz.
Pour faire varier tension et fréquence dans tout le plan effort-vitesse de la locomotive,
les onduleurs utilisent la technique de modulation de largeur d'impulsions (MLI). La
stratégie de modulation a été choisie pour répondre aux spécifications de performance
demandée et respecter les limites du matériel, notamment des modules à GTO.
Dans les limites ou choix que l'on s'est fixé, on peut citer principalement:
- limiter les pertes dissipées dans les résistances d'aide à la commutation des GTO (R
snubber) à environ 8,5 kW,
- limiter le courant crête commuté par les GTO onduleur autour de 2400A,
- minimiser les pertes dans les GTO, réduire les couples pulsatoires par élimination de
certains harmoniques de tension.
Les instants de changement de modes de modulation sont choisis pour respecter à tout
instant le courant crête commutable par les GTO et la température de jonction des
semi-conducteurs directement liée aux pertes par conduction et commutation qui peuvent
atteindre 1400W/GTO.
3.3 le freinage électrique
Sous caténaire monophasée, le freinage dynamique normal est du type à récupération
d'énergie. En cas de perte de la tension caténaire, les équipements basculent
automatiquement en freinage rhéostatique. Il n'est pas prévu de conjugaison entre les
deux types de freinage.
Sous caténaires continues, le freinage uniquement rhéostatique fait appel à 4 hacheurs
à GTO qui modulent chacun une résistance de 4,6 ohms à la fréquence de 300 Hz (figures
2, 3 ou 4).
D'un point de vue général les performances en freinage par récupération de la BB36000
peuvent égaler, voire même être légèrement supérieures à celles en traction puisque
l'ensemble des pertes électriques et mécaniques concourent à accroître l'effort de
retenue, mais pour limiter la sollicitation d'adhérence en freinage et par souci de
cohérence avec l'autre mode de freinage électrique, les performances en récupération
ont été calquées sur celles réalisables en freinage rhéostatique, seul mode de
freinage autorisé sous caténaires continues 1500 ou 3000V.
Avec une caténaire continue, en effet, la récupération de l'énergie n'est pas toujours
possible. Or le freinage électrique se doit d'avoir une disponibilité et une efficacité
toujours maximale quelles que soit les conditions d'environnement (réceptivité du
réseau d'alimentation, état du rail) d'où la justification des limitations retenues.
En conséquence la puissance de freinage a été fixée à 2950kW à la jante avec un
effort de retenue maximum de 130kN.
Du point de vue régulation de la tension bus continue, la stratégie diffère selon le
mode de freinage. En récupération les onduleurs contrôlent le couple moteur et les PMCF
maintiennent la tension bus commun à 2800 V pour assurer la pleine puissance de freinage
jusqu'à 28 kV caténaire tandis qu'en freinage rhéostatique, les 2 hacheurs connectés
au même bus régulent la tension bus autour de 2400V, ici aussi comme pour les PMCF en
monophasé la régulation de tension des bus est assurée par un hacheur maître, l'autre
fonctionne en esclave en recopiant l'angle d'ouverture calculé par le maître.
En cas de perte de la tension caténaire, les onduleurs passent automatiquement en très
faible freinage pour maintenir les bus et assurer l'alimentation des circuits auxiliaires.
Caractéristiques des moteurs de traction
Type : Asynchrone à cage
Puissance nominale :1530 kW
Couple de démarrage : 11450Nm
Vitesse maximale à 220 km/h : 4160 tr/min
Tension maximale entre phases : 2070V
Courant de démarrage : 600A
Fréquence stator maximale à 220 km/h : 140 Hz
Masse : 2550 kg
Ventilation : forcée, axiale, 1,8 m3/s
Isolation : Classe 200
Arrangement Mécanique : Flasque moto-réducteur intégré
Fixation : Entièrement suspendu en 3 points sur le châssis de bogie
La locomotive est équipée de 4 moteurs asynchrones à cage à ventilation forcée.
Le moteur a deux paires de pôles; ses principales caractéristiques sont regroupées
ci-dessus.
La particularité constructive est l'intégration moteur-réducteur qui minimise le nombre
de roulements, ce qui accroît la fiabilité. Le roulement de sortie côté pignon
d'attaque est rejeté à l'extérieur du réducteur.
L'ensemble moto-réducteur est fixé en 3 points sur le châssis de bogie, 2 points fixes
et un point élastique permettant des montages et démontages aisés.
Les bobinages sont imprégnés sous vide avec des résines silicone sans solvant pour
tenir des tensions de 3000V.
Le schéma des auxiliaires a été conçu avec le souci de garantir une disponibilité
de service maximale sous toutes les tensions d'alimentation. La philosophie retenue est
que la panne d'un convertisseur auxiliaire quelconque n'entraîne aucune incidence sur le
déroulement de la mission de la locomotive, c'est-à-dire que les pleines performances de
traction demeurent inchangées, ce qui implique que les convertisseurs auxiliaires soient
redondés et leur agencement reconfigurable en cas d'avarie.
5.1 Le schéma des auxiliaires
Le schéma retenu est adapté à une locomotive multitension AC et DC; dans ce sens
l'énergie nécessaire aux fonctions auxiliaires est prise sur les bus continus
intermédiaires de traction. Cette façon de procéder présente plusieurs avantages :
- le schéma général des auxiliaires n'a pas besoin d'être reconfiguré en fonction de
la tension d'alimentation, ce qui accroît la fiabilité,
- les auxiliaires restent toujours alimentés même sans présence de tension caténaire
par la mise en freinage des onduleurs,
- la ponction de puissance auxiliaire est équitablement repartie sur 2 convertisseurs
d'entrée en continu, 4 PMCF en monophasé, en monophasé l'énergie auxiliaire transite
uniquement par les 4 PMCF équilibrés en courant, ce qui facilite le respect de la
contrainte IPE.
Deux hacheurs abaisseurs à GTO connectés au bus continu de traction inférieur, donc
référencés à la masse peuvent délivrer à travers une inductance et une diode
antiretour une tension continue de 525V à un bus auxiliaire unique sur lequel sont
connectées les charges.
Chaque hacheur auxiliaire a une puissance de 200kW et peut alimenter seul l'ensemble des
consommateurs de la locomotive.
En fonctionnement normal un seul hacheur est actif et alimente le bus 525V. Le second est
arrêté; en cas de défaillance, ce dernier prend automatiquement le secours. Comme il
n'y a pas d'isolement galvanique en sortie des hacheurs, un dispositif à thyristor est
prévu pour court-circuiter le bus auxiliaire s'il atteint 650V.
Les charges sont constituées par quatre petits onduleurs triphasés et deux chargeurs de
batterie, tous à transistors de puissance reconduits des BB26000 pour leur excellente
fiabilité.
Le bus 525V alimente:
- 4 onduleurs de tension à transistors identiques de 75kVA nominal, 100 kVA max, 3*380
V-50Hz, refroidis en ventilation à air forcé,
- deux onduleurs sont destinés au compresseur d'air, aux pompes à huile et à eau, aux
climatiseurs et charges diverses; ils fonctionnent à tension et fréquence fixes,
- deux autres onduleurs sont destinés aux charges fonctionnant à vitesse variable
(moto-ventilateurs des moteurs de traction, du bloc central, du rhéostat de freinage et
du transformateur principal) ; ils fonctionnent à tension et fréquence variable de 0 à
380 V -50 Hz selon une loi U/f constant.
- 2 chargeurs de batterie doubles indépendants travaillant en parallèle. Chacun peut
délivrer 2x40 A max sous 72V nominal. Le système peut continuer d'assurer la pleine
charge avec une voie de chargeur hors service sans perturber le fonctionnement de la
locomotive.
En cas de panne d'un quelconque onduleur auxiliaire, il y a reconfiguration des 3
restants, 2 sont toujours affectés aux charges à vitesse variable, le troisième à
celles à vitesse constante (voir figure 5).
L'électronique de commande est réalisée en cartes Eurofer 6U au format 233,4 x 220
mm. Les cartes sont au standard AGATE d'ALSTOM déjà utilisé sur de nombreux engins
SNCF.
La génération d'AGATE à bord de la BB 36000 est basée sur une architecture
multiprocesseur, non hiérarchisée composée d'unités intelligentes communiquant
uniquement par réseau série CAN (Controller Area Network) et de cartes d'interface
entrées-sorties standardisées. Les unités intelligentes font appel à des
micro-contrôleurs 16 bits 80C196 d'Intel. Cette architecture permet de découpler les
fonctions qui sont affectées dans des "coeurs microcontrôleurs" identiques et
séparés.
Les cartes utilisent largement la technologie CMS (Composants Montés en Surface) et
l'hybridation pour réduire les volumes et améliorer la fiabilité en minimisant les
connexions soudées.
L'architecture du contrôle commande de la BB36000 a été conçue pour qu'en général,
une panne simple n'entraîne pas une perte de puissance traction de plus de 25% des
performances nominales. Certaines fonctions découpées au niveau bogie comme le freinage
électrique par cohérence avec le frein pneumatique qui agit par bogie et non par essieu
peuvent être réduites à 50% sur défaillance simple.
Ainsi la structure de la baie de commande d'un bogie comporte trois sous-ensembles :
- un qui traite les fonctions communes au bogie (CBOG),
- deux autres identiques qui traitent les fonctions pour chaque chaîne de traction moteur
(CMOT).
Les fonctions communes à l'ensemble de la locomotive sont assurées par l'une des
commandes CBOG agissant comme pilote, l'autre prenant le relais en cas de défaillance. La
plupart de ces fonctions sont ainsi redondées, le risque de perdre l'effort de traction
sur un bogie ou même sur toute la locomotive est ainsi extrêmement réduit.
Les fonctions traitées par les circuits électroniques CMOT ne sont pas redondées; la
perte de l'une d'elles n'entraîne au pire qu'une diminution de 25% de performance de la
locomotive par isolement d'un moteur.
7.1 Les modules de puissance et leur refroidissement
L'électronique de puissance est regroupée en 24 modules utilisant tous le même type de
thyristor GTO 4500V - 4000 A et les mêmes sous-ensembles standard; seul l'arrangement des
semiconducteurs est susceptible de changer avec la fonction à réaliser. On retrouve pour
une locomotive:
- 20 modules bras d'onduleur ou de convertisseurs d'entrée,
- 2 modules regroupant chacun les 2 hacheurs à GTO pour le freinage rhéostatique d'un
même bogie,
- 2 modules hacheur auxiliaire à GTO.
7.1.1 le module bras d'onduleur
Le module bras d'onduleur ou de convertisseur d'entrée pris comme exemple est du type à
circuit d'aide à la commutation asymétrique.
Il regroupe les semiconducteurs de puissance, les condensateurs du circuit d'aide à la
commutation, les allumeurs et le système de refroidissement. Les connexions internes au
module ont été réalisées en feuilles de cuivre laminé isolé (bus bar) pour réduire
au minimum les inductances parasites de câblage et donc limiter les surtensions de
commutation; le module peut ainsi couper en toute sécurité 2600A sous 3250V max.
7.1.2 le refroidissement des modules
Pour la BB36000, ALSTOM a choisi le refroidissement par eau au lieu de la technologie de
refroidissement par immersion dans un fluide fluoro-carboné caloporteur comme le fréon
R113 ou le FC72.
La technique d'immersion, bien que très performante et largement utilisée jusqu'à
présent, est maintenant de plus en plus souvent frappée par des restrictions légales
concernant l'environnement; les clients lui préfèrent le refroidissement par eau
nettement moins polluant et facile à recycler.
De plus le refroidissement à eau tout en étant très performant offre de nets avantages
en matière de maintenance:
- la masse des modules a pu être abaissée au-dessous des 50kg pour éviter l'emploi
d'outillage spécifique de mise en oeuvre délicate,
- l'accessibilité aux composants du module est immédiate et très simple,
- la réparation du module ne nécessite plus d'atelier spécialisé et peut être
envisagée dans un site client proche de l'exploitation,
- le fluide de refroidissement, l'eau glycolée déjà utilisée dans l'automobile étant
facile à approvisionner,
- le refroidissement de l'eau centralisé facilite l'installation, simplifie les circuits
aérauliques et surtout réduit le débit d'air global nécessaire par rapport à un
système de refroidissement direct par air forcé.
Le refroidissement par circulation d'eau adopté pour la BB 36000 est basé sur
l'utilisation d'eau non désionisée (mélange eau/éthylglycol comparable à celui
utilisé en automobile), le radiateur isolant électriquement mais conducteur
thermiquement assure le diélectrique nécessaire entre le semiconducteur et le circuit
d'eau.
Le radiateur est principalement constitué d'un pavé de cuivre qui assure la conduction
électrique entre les semiconducteurs et dans lequel sont logés des tubes d'alumine AL203
(électriquement isolants) où circule l'eau de refroidissement.
Les radiateurs et les semiconducteurs constituant un bras d'onduleur ou de redresseur sont
ainsi empilés alternativement et serrés fortement pour constituer la "pile" de
semiconducteurs du module correspondant à un bras d'onduleur ou de convertisseur
d'entrée.
La température d'entrée d'eau est aux environs de 60°, la sortie est vers 64°C pour
une dissipation thermique de 6kW avec un débit d'eau de 36l/min. Ce mode de
refroidissement très performant permet d'extraire jusqu'à 2,5kW par GTO sans dépasser
125°C à la jonction. Dans le cas de la BB36000, les pertes maximales surviennent sous
1500V en hacheur élévateur où les GTO doivent dissiper jusqu'à 2400W; tous les autres
fonctionnements sollicitent moins les semiconducteurs et laissent des marges thermiques
importantes.
Le module est constitué de deux parties:
- une partie amovible aisément démontable par desserrage rapide des connexions
électriques et hydrauliques. Sur cette partie sont installés la "pile" de
semiconducteurs et ses radiateurs, les allumeurs et leur plaque froide. L'eau de
refroidissement est amenée au module par deux flexibles débrochables et munis de
raccords auto-obturants. L'eau circule dans les radiateurs situés entre les
semiconducteurs et dans la plaque de refroidissement des allumeurs. La masse de cet
ensemble est de 47kg,
- une partie fixe située à l'arrière avec les condensateurs des circuits d'aide à la
commutation.
Il y a un circuit de l'eau de refroidissement par bogie qui comporte:
- une pompe de circulation débitant 216 l/min sous 4,4 bars,
- un aéroréfrigérant refroidi par air forcé: 4 m3/s à 40°C,
- un ensemble de tuyauteries,
- 12 modules de puissance en série deux par deux.
La grande fiabilité des sous-ensembles de la boucle à eau, notamment des auxiliaires
moto-pompes, a autorisé une installation regroupée commune à deux moteurs.
7.3 Le bloc central
Le bloc central abrite l'équipement de traction-freinage électrique des deux bogies:
- les modules semi-conducteurs pour la traction-freinage et les hacheurs auxiliaires,
- l'appareillage de puissance pour les reconfigurations et l'isolement de convertisseurs,
- les rhéostats de freinage,
- les électroniques de commande.
L'accessibilité aux équipements est réalisée par les deux couloirs latéraux.
Le bloc central est constitué de deux demi-blocs, les "blocs moteurs", chacun
abritant l'équipement d'un bogie.
Dimensions du bloc central:
- longueur : 5,120m
- largeur : 1,650 m
- hauteur : 2,600 m
- masse : 8800 kg.
7.4 Le circuit de ventilation de l'électronique de puissance
D'un côté de chacun des blocs moteurs l'air traverse horizontalement les
aéro-réfrigérants du circuit d'eau de refroidissement des modules, refroidit les
résistances des circuits snubbers des GTO et est récupéré dans la partie centrale du
bloc pour être évacué en partie haute du bloc, à travers la toiture de la locomotive,
par deux ventilateurs centrifuges (VTBC) par bloc moteur.
De l'autre côté l'air pénètre toujours par la partie haute de la face latérale du
bloc, traverse les selfs de limitation dI/dt des GTO et est récupéré en partie centrale
par les mêmes ventilateurs.
Le débit d'air dans l'ensemble des modules des deux blocs moteurs est d'environ 8 m3/s.
Le débit est modulé en fonction de la puissance demandée.
Les pompes de circulation d'eau sont, quant à elles, toujours maintenues en
fonctionnement à vitesse nominale afin d'éviter tout point chaud dans le circuit
hydraulique.
7.5 Circuit de ventilation du rhéostat et du transformateur principal
L'air de ventilation des rhéostats de freinage est également aspiré dans les couloirs
latéraux; il pénètre sous le plancher des couloirs, traverse les aéroréfrigérants du
transformateur (un de chaque côté du bloc central), est aspiré vers le haut par les
ventilateurs hélicoïdes des rhéostats (VTRH) et évacué en toiture. Ce circuit de
ventilation est ainsi entièrement indépendant de celui des semiconducteurs.
Le débit d'air dans chaque rhéostat est d'environ 6m3/s. Ce débit se répartit en amont
entre l'aéroréfrigérant transformateur (4m3) et le by-pass (2m3).
Comme pour les semiconducteurs, le débit d'air est diminué à puissance réduite. A
l'arrêt en gare les ventilateurs des rhéostats ainsi que ceux des moteurs de traction
sont totalement arrêtés par mesure de réduction de bruit. Le transformateur est alors
refroidi par circulation naturelle de l'air dans les aéroréfrigérants et les cheminées
des rhéostats; les pompes à huile sont quant à elles maintenues en fonctionnement à
vitesse nominale pour éviter l'apparition de "points chauds" dans la cuve.
La série de 30 locomotives BB 36000 a commencé son service commercial essentiellement
dédié au service du fret. Cette locomotive moderne répondant aux dernières exigences
des réseaux européens en matière d'environnement et de CEM donne à la SNCF, en tant
qu'opérateur ferroviaire, un outil performant et compétitif qui va lui permettre
d'acquérir une dimension internationale. Les besoins grandissants du trafic fret Nord-Sud
font envisager une commande supplémentaire de 30 autres locomotives.
La BB 36000 fait appel à de nouvelles technologies respectueuses de l'environnement. Les
choix d'architecture et de conception modulaire apportent à l'opérateur ferroviaire une
disponibilité opérationnelle et une maintenance accrues. Les principes retenus
maintenant associés au retour d'expérience seront les axes directeurs qui prévaudront
à la conception d'une nouvelle génération de locomotives spécialisées dans le trafic
fret international.
Alain JEUNESSE, Ingénieur ESIEE 1976, est entré à la SNCF en octobre 1977. Il est
actuellement chef de la Division Electronique au sein de la Direction du Matériel et de
la Traction.
Marc DEBRUYNE. Ingénieur HEI 1967 est entré chez Jeumont Schneider en 1969. Il a été
responsable ces dernières années des services études et développement des chaînes de
traction chez Alstom où il est actuellement Directeur technique de l'unité traction
d'Alstom Transport.