Vers une conception optimale des chanes de traction

ferroviaire

Martin Cantegrel

To cite this version:

Martin Cantegrel. Vers une conception optimale des chanes de traction ferroviaire. Other.Ecole Centrale de Lille, 2012. French. .

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N d'ordre : 196

Le 18 septembre 2012

THSE En vue de l'obtention du

DOCTORAT EN GNIE LECTRIQUE Dlivr par

L'cole Centrale de Lille

Prsente et soutenue par

Martin Cantegrel

Le 27 novembre 2012

Titre

Vers une conception optimale des chanes de traction ferroviaire

Jury

M. Claude Marchand, Professeur, LGEP, Prsident du Jury M. Thierry Floquet, Charg de recherche, LAGIS, Examinateur

M. Laurent Gerbaud, Professeur, G2ELab, Rapporteur M. Mohamed Gabsi, Professeur, SATIE, Rapporteur

M. Stphane Brisset, Matre de confrences, L2EP, Directeur de thse L. Frdric Gillon, Matre de confrences, L2EP, Codirecteur de thse

Ecole doctorale : ED SPI Unit de recherche : L2EP, quipe Optimisation

PRES Universit Lille Nord de France

Vers une conception optimale des chanes de traction ferroviaire

2

Avant-propos Ces travaux ont t effectus sous la direction de Stphane Brisset et Frdric Gillon au sein du laboratoire L2EP de Lille

sur le site de l'Ecole Centrale de Lille, et sous la direction de Mr Laurent Nicod sur le site d'Alstom-Transport Tarbes. Il est difficile de citer toutes les personnes qui ont aid d'une faon ou d'une autre la ralisation de ces travaux, aussi je voudrais commencer par remercier en commun tous ceux qui m'ont apport un soutien technique, administratif ou qui m'ont apport leurs encouragements. Mme si je ne les ai pas tous en tte au moment de rdiger ces remerciements, je ne les ai pas oublis et leur adresse toute ma reconnaissance.

Je souhaiterais citer Mme Rgine Duplouich qui m'a rappel plusieurs fois mes livrables, comme par exemple le prsent manuscrit, et plus gnralement le personnel de l'Ecole Centrale de Lille pour sa disponibilit et ses conseils bienveillants. Je pense Xavier Cimetire pour sa grande disponibilit et son support quotidien, et galement Simon, Fabien, Kongseng, Christophe et aux autres. Une petite pense pour l'excellente ambiance au sein de l'quipe des doctorants et permanents en gnie lectrique l'Ecole Centrale de Lille. C'tait un plaisir d'tre leurs cts : Alex, les 2 Nicolas, Mathieu, Amir, Jinlin, Sophie, Xavier, Franois, Dimitri et Vera, les 2 Pierre, Aymen, Dan, Matthias, Antoine, Wenhua et tous les autres ! Je ne vous oublierai pas !

Une petite pense pour l'excellent accueil lors de mes sjours Tarbes. Une pense particulire pour Joseph, Jean-Luc, Damien et Cdric pour tous les bons moments. Un grand merci tous ceux qui ont eu la gentillesse et la patience d'assister mes exposs et de me prodiguer des conseils prcieux, Pierre et Emmanuel, les 2 Michel, Sbastien et surtout Robert pour ses explications techniques et sa vision du sujet. Et toutes les autres personnes Alstom qui m'ont aid, Rockys et Piotr, Guillaume, Jos, Marc, Philippe, et ceux que j'aurais peut-tre oublis dans cette liste mais dont je suis sr que le souvenir est intact dans ma mmoire.

Enfin, un grand merci Mr Laurent Nicod pour l'initiative de cette collaboration, pour son intrt pour le sujet, son appui nergique. Enfin, je tiens particulirement remercier Mr Stphane Brisset pour m'avoir permis d'intgrer l'quipe Optimisation, pour avoir accept de diriger mes travaux, et pour ses efforts dans l'organisation de la soutenance. Un grand merci galement Mr Frdric Gillon, co-directeur de cette thse, pour le temps qu'il a consacr ces travaux, pour sa grande disponibilit, sa confiance et sa grande patience.

Bien sr un travail de thse n'est rien sans son jury. Je profite de ces quelques mots pour lancer un merci appuy mes rapporteurs Mr Laurent Gerbaud et Mr Mohamed Gabsi pour leur relecture attentive et leur analyse dtaille du prsent rapport. Je remercie galement le prsident du jury Mr Claude Marchand pour la manire avec laquelle il a prsid cette soutenance, et lui exprime toute ma reconnaissance.

Sommaire

3

Sommaire

Avant-propos ...................................................................................................................................... 2

Introduction ...................................................................................................................................... 10

1 Contexte du projet ..................................................................................................................... 13 1.1 Evolution des chanes de traction ...................................................................................... 13

1.1.1 Intrt du ferroviaire .................................................................................................. 13

1.1.2 La machine vapeur .................................................................................................. 13

1.1.3 Traction lectrique ancienne ...................................................................................... 14

1.1.4 Evolution rcente de la traction lectrique ................................................................ 15

1.1.5 Des quipements de traction plus compacts .............................................................. 17

1.1.6 Le stockage d'nergie bord ..................................................................................... 19

1.2 Interrupteurs au Carbure de Silicium ................................................................................ 20

1.2.1 Apparition et volution .............................................................................................. 20

1.2.2 Augmenter la frquence de dcoupage ...................................................................... 20

1.2.3 Augmenter la frquence lectrique ............................................................................ 21

1.2.4 Plan de l'tude ............................................................................................................ 21

1.3 Stockage de l'nergie bord .............................................................................................. 22

1.3.1 Fonction d'un stockage embarqu ............................................................................. 22

1.3.2 Technologies de stockage embarqu ......................................................................... 22

1.4 Conception systmique des chanes de traction ................................................................ 23

1.4.1 Intrt d'une conception systmique .......................................................................... 23

1.4.2 Outils pour la conception systmique ........................................................................ 23

1.4.3 Plans d'expriences .................................................................................................... 23

1.4.4 Optimisation sous contraintes .................................................................................... 24

1.4.5 Optimisation multi-niveaux ....................................................................................... 25

1.5 Conclusion ......................................................................................................................... 25

2 Systme de stockage embarqu ................................................................................................. 26

2.1 Introduction ....................................................................................................................... 26

2.2 Description du systme de stockage existant .................................................................... 26

2.3 Calcul de la consigne de puissance ................................................................................... 27

2.3.1 Puissance de rfrence ............................................................................................... 27

2.3.2 3 mthodes proposes ................................................................................................ 28

2.3.3 Limites du moyen de stockage en puissance et en nergie ........................................ 29

2.3.4 Mthode 1, minimisation de l'nergie change ........................................................ 30

Vers une conception optimale des chanes de traction ferroviaire

4

2.3.5 Mthode 2, charge et dcharge au plus vite ............................................................... 31

2.3.6 Mthode 3, crtage des pics de puissance ................................................................ 32

2.3.7 Exemple de rsultat sur un parcours de tramway ...................................................... 33

2.4 Maximisation de la rentabilit des systmes de stockage .................................................. 35

2.5 Calcul des ondulations et de la temprature ...................................................................... 36

2.6 Modle de dimensionnement des composants ................................................................... 38

2.7 Optimisation des composants ............................................................................................ 39

2.7.1 Description du problme ........................................................................................... 39

2.7.2 Prsentation des rsultats ........................................................................................... 40

2.8 Conclusion ......................................................................................................................... 41

3 Chane de traction de mtro, solution actuelle et solution l'tude .......................................... 42

3.1 Solution actuelle ................................................................................................................ 42

3.1.1 Dimensions ................................................................................................................ 42

3.1.2 Performances ............................................................................................................. 42

3.1.3 Rducteur ................................................................................................................... 43

3.1.4 Moteur ....................................................................................................................... 43

3.1.5 Schma de puissance ................................................................................................. 44

3.1.6 Bilan masse ................................................................................................................ 44

3.1.7 Bilan consommation .................................................................................................. 45

3.2 Intrt des interrupteurs Carbure de Silicium pour la traction ferroviaire ...................... 46

3.2.1 Spcificit des interrupteurs Carbure de Silicium .................................................. 46

3.2.2 Comparaison des pertes d'un pack SiC par rapport un pack Si de calibre proche .. 46

3.3 Choix technologiques pour la nouvelle solution ............................................................... 50

3.3.1 Type de moteur .......................................................................................................... 50

3.3.2 Bobinage .................................................................................................................... 50

3.3.3 Forme des encoches ................................................................................................... 51

3.3.4 Type et paisseur d'isolant ......................................................................................... 51

3.3.5 Coefficient de remplissage ........................................................................................ 51

3.3.6 Onduleur .................................................................................................................... 52

3.3.7 Tle utilise ............................................................................................................... 53

3.3.8 Refroidissement du moteur ........................................................................................ 53

3.3.9 Radiateur air/huile ..................................................................................................... 54

3.3.10 Rducteur ................................................................................................................... 55

3.4 Caractristiques du rducteur grande vitesse d'entre .................................................... 56

3.4.1 Masse ......................................................................................................................... 56

3.4.2 Rendement du rducteur ............................................................................................ 57

Sommaire

5

3.5 Droulement de l'tude ...................................................................................................... 57

3.5.1 Modle de simulation sur point de fonctionnement .................................................. 57

3.5.2 Modle de simulation thermique ............................................................................... 58

3.5.3 Conception optimale .................................................................................................. 58

3.5.4 Rduction du domaine d'tude ................................................................................... 59

3.6 Conclusion ......................................................................................................................... 60

4 Modle de simulation sur points de fonctionnement ................................................................. 61

4.1 Degrs de liberts .............................................................................................................. 61

4.1.1 Liste des degrs de libert ......................................................................................... 61

4.1.2 Coefficient de rduction ............................................................................................ 61

4.1.3 Rayon d'alsage r et longueur de fer l ....................................................................... 61

4.1.4 Nombre d'encoches nbrenc et nombre de paires de ples p ...................................... 62

4.1.5 Variables gomtriques eenc, ecul, eaim ................................................................... 62

4.1.6 Nombre total de conducteurs n .................................................................................. 63

4.1.7 Frquence de dcoupage fd ........................................................................................ 63 4.2 Grandeurs calcules ........................................................................................................... 63

4.2.1 Grandeurs calcules variables en fonction du point de fonctionnement ou du temps 63

4.2.2 Grandeurs indpendantes du point de fonctionnement .............................................. 64

4.3 Description du calcul ......................................................................................................... 64

4.3.1 Etapes du calcul ......................................................................................................... 64

4.3.2 Nomenclature ............................................................................................................ 65

4.3.3 Organigramme ........................................................................................................... 65

4.3.4 Schma des liens........................................................................................................ 66

4.4 Dimensions du moteur ....................................................................................................... 67

4.4.1 Rayons ....................................................................................................................... 67

4.4.2 Masses ....................................................................................................................... 68

4.4.3 Sections calcules dans l'encoche .............................................................................. 68

4.4.4 Surfaces d'change avec le liquide de refroidissement .............................................. 68

4.5 Calcul lectromagntique .................................................................................................. 68

4.5.1 Epaisseur d'entrefer quivalente ................................................................................ 68

4.5.2 1ire fonction de bobinage N(phase,slot) .................................................................... 69 4.5.3 2ime fonction de bobinage N'(phase,slot) .................................................................. 71 4.5.4 Force magntomotrice des aimants ........................................................................... 72

4.5.5 Induction due aux aimants dans l'entrefer ................................................................. 73

4.6 Caractristiques vide ....................................................................................................... 73

4.6.1 Expression de la conergie magntique..................................................................... 73

Vers une conception optimale des chanes de traction ferroviaire

6

4.6.2 Couple de dtente ...................................................................................................... 74

4.6.3 Flux vide vu par les phases ..................................................................................... 74

4.6.4 Inductance radiale ...................................................................................................... 75

4.6.5 Inductance de fuite d'encoche .................................................................................... 76

4.6.6 Inductance totale ........................................................................................................ 77

4.6.7 Constantes de la machine .......................................................................................... 78

4.7 Principe de la simulation sur points de fonctionnement .................................................... 78

4.8 Fondamental de tension ..................................................................................................... 79

4.9 Stratgie de dcoupage ...................................................................................................... 80

4.9.1 Avantage du calcul analytique du spectre ................................................................. 80

4.9.2 Expression de la tension de phase ............................................................................. 80

4.9.3 Dtermination des paramtres m et ind de l'expression du spectre ........................... 81

4.9.4 Expression de la tension phase-neutre ....................................................................... 82

4.10 Calcul des courants et du couple ................................................................................... 83

4.11 Calcul des critres sur point de fonctionnement ............................................................ 84

4.11.1 Profil de mission du mtro ........................................................................................ 84

4.11.2 Tension, courant, densit de courant et pertes Joule ................................................. 85

4.11.3 Induction dans le fer et pertes fer .............................................................................. 86

4.11.4 Calcul des distorsions ................................................................................................ 88

4.12 Calcul des pertes dans l'onduleur .................................................................................. 88

4.12.1 Ncessit de modles de pertes moyennes par priode lectrique ........................... 88

4.12.2 Modle de pertes moyennes par conduction .............................................................. 88

4.12.3 Modle d'nergie moyenne perdue lors des commutations ....................................... 89

4.12.4 Expression des pertes de l'onduleur ........................................................................... 90

4.13 Conclusion ..................................................................................................................... 92

5 Modle de simulation thermique ............................................................................................... 93

5.1 Introduction ....................................................................................................................... 93

5.1.1 Modle pour le calcul des tempratures .................................................................... 93

5.1.2 Plan de l'tude thermique........................................................................................... 94

5.1.3 Refroidissement du rotor ........................................................................................... 95

5.2 Expression de la puissance spcifique du refroidisseur ..................................................... 95

5.2.1 Calcul analytique pour un radiateur contre-courant................................................ 95

5.2.2 Validation pour le cas d'un radiateur courant croiss ............................................. 98

5.3 Identification d'un modle de dimensionnement du refroidisseur ..................................... 99

5.3.1 Donnes estimes d'aprs la documentation d'un refroidisseur du march ............... 99

5.3.2 Donnes estimes d'aprs un radiateur automobile ................................................. 100

Sommaire

7

5.3.3 Modle identifi....................................................................................................... 101

5.4 Calcul en rgime permanent ............................................................................................ 101

5.4.1 Intrt du calcul en rgime permanent .................................................................... 101

5.4.2 Limites de l'tude ..................................................................................................... 102

5.4.3 Volumes considrs ................................................................................................. 102

5.4.4 Calcul des rsistances thermiques ........................................................................... 103

5.4.5 Rsultats sur le cas de rfrence .............................................................................. 105

5.5 Mthode de simulation thermique temporelle ................................................................. 105

5.5.1 Utilit de la mthode ............................................................................................... 105

5.5.2 Grandeurs apparaissant dans le systme d'quations ............................................... 106

5.5.3 Exemple 6 volumes............................................................................................... 107

5.6 Simulation thermique temporelle du systme l'tude ................................................... 110

5.6.1 Discrtisation du radiateur ....................................................................................... 110

5.6.2 Schma du systme complet .................................................................................... 112

5.6.3 Rsultats sur le systme de rfrence ...................................................................... 113

5.7 Conclusion ....................................................................................................................... 114

6 Conception optimale et solution propose............................................................................... 116

6.1 Introduction ..................................................................................................................... 116

6.2 Entres du modle de dimensionnement ......................................................................... 116

6.3 Expression du couple moyen ........................................................................................... 118

6.3.1 Expression du couple d'aprs les amplitudes de Ba, N et I ...................................... 118

6.3.2 Expression de l'amplitude de N ............................................................................... 118

6.3.3 Expression de l'amplitude de I ................................................................................. 119

6.3.4 Expression du couple en fonction de l'induction dans l'entrefer et du courant linque 119

6.4 Modle de dimensionnement ........................................................................................... 120

6.4.1 Section de cuivre et profondeur d'encoche .............................................................. 120

6.4.2 Coefficient de bobinage ........................................................................................... 120

6.4.3 Epaisseur d'aimant et coefficient de courbure ......................................................... 121

6.4.4 Longueur d'empilage du fer ..................................................................................... 122

6.4.5 Nombre de conducteurs d'aprs le courant de phase ............................................... 122

6.4.6 Frquence de dcoupe ............................................................................................. 122

6.4.7 Epaisseur des culasses ............................................................................................. 122

6.5 Structures retenues........................................................................................................... 122

6.5.1 Limitation du domaine d'tude ................................................................................ 122

6.5.2 Critres de prfrences dans la littrature ................................................................ 123

Vers une conception optimale des chanes de traction ferroviaire

8

6.5.3 Coefficients de bobinage calculs ........................................................................... 123

6.5.4 Critres de prfrence sur le couple ........................................................................ 123

6.5.5 Principe de la rduction du domaine d'tude ........................................................... 124

6.5.6 Machines retenues ................................................................................................... 127

6.6 Effet des variables sur les critres ................................................................................... 129

6.6.1 Exemple de l'effet de l'induction dans l'entrefer ...................................................... 129

6.6.2 Effet individuel de chaque variable ......................................................................... 130

6.6.3 Conclusion sur l'effet des variables ......................................................................... 132

6.7 Gain de masse en fonction du rapport de rduction ........................................................ 132

6.7.1 Schma de l'optimisation ......................................................................................... 132

6.7.2 Variables fixes ....................................................................................................... 133

6.7.3 Rsultats .................................................................................................................. 134

6.7.4 Analyse des rsultats de l'optimisation .................................................................... 135

6.8 Description dtaille d'une solution ................................................................................. 136

6.8.1 Solution considre ................................................................................................. 136

6.8.2 Force magntomotrice et flux vide ....................................................................... 136

6.8.3 Courant de phase et pertes par commutation ........................................................... 137

6.8.4 Tempratures ........................................................................................................... 139

6.9 Comparaison avec la solution actuelle ............................................................................ 140

6.9.1 Domaine de fonctionnement des moteurs .............................................................. 140

6.9.2 Rduction de la masse ............................................................................................. 140

6.9.3 Comparaison des masses ......................................................................................... 141

6.9.4 Comparaison des pertes ........................................................................................... 141

6.10 Synthse de la dmarche ............................................................................................. 142

6.10.1 Modliser le problme de conception dans son ensemble ....................................... 142

6.10.2 Ouvrir le champ d'investigations de l'tude ............................................................. 142

6.10.3 Minimiser le nombre de degrs de libert ............................................................... 142

6.10.4 Choix des degrs de libert les plus pertinents et analyse du modle ..................... 143

6.10.5 Optimisation ............................................................................................................ 143

6.10.6 Amlioration apporter ........................................................................................... 143

6.11 Conclusion sur l'intrt du moteur propos ................................................................. 144

Conclusion ...................................................................................................................................... 145

Bibliographie .................................................................................................................................. 148

1) Livres ............................................................................................................................... 148 2) Thses .............................................................................................................................. 148 3) Articles ............................................................................................................................ 149

Sommaire

9

4) Autres documents ............................................................................................................ 149 Annexes .......................................................................................................................................... 151

1) Prsentation du projet OPSIM ......................................................................................... 151 2) Dfinition des stratgies MLI pour l'AGV ...................................................................... 152

Titre ................................................................................................................................................ 154

Rsum ........................................................................................................................................... 154

Mots-cl .......................................................................................................................................... 154

Title ................................................................................................................................................ 154

Abstract .......................................................................................................................................... 154

Keywords ....................................................................................................................................... 154

Vers une conception optimale des chanes de traction ferroviaire

10

Introduction La tendance actuelle est des systmes de traction de plus en plus compacts. Cette compacit a

pour but de faciliter l'intgration du systme de traction dans le vhicule, et de maximiser l'espace pour les voyageurs. Les tramways actuels sont souvent plancher plat intgral, comme par exemple le Citadis d'Alstom [L2]. En matire de grande vitesse, le Shinkansen 2 niveaux et motorisation rpartie constitue une rfrence en termes de capacit d'emport de passagers [D4]. Dans ces deux exemples l'espace dvolu aux systmes de traction est rduit, par rapport aux gnrations de trains antrieures. La rduction d'encombrement est une problmatique actuelle, objet de concurrence entre les constructeurs de trains.

Une autre problmatique actuelle est la rduction de la consommation. Historiquement, la suppression des rhostats avec les dbuts de l'lectronique de puissance a permis une rduction significative de la consommation des trains soumis des dmarrages frquents. Auparavant, le couple tait rgl le plus souvent par un rhostat en srie avec l'induit des machines courant continu, en plus du rglage du courant de l'inducteur [L2]. A bord des trains actuels, une rsistance contrle par un hacheur subsiste. La fonction de cette rsistance est de dissiper l'nergie renvoye par les moteurs lors des freinages non rcupratifs, ou freinages dissipatifs. La diminution de la consommation des quipements de traction actuels passe principalement par la rduction du recours ces freinages dissipatifs. Cette rduction peut tre amene par une gestion coordonne des diffrents trains, par la mise en place de sous-stations rcupratrices, ou encore par l'installation de moyens de stockage embarqus ou au sol. Dans le cas d'un transport urbain, mtro ou tramway, le cycle de fonctionnement consiste en une suite de dmarrages et d'arrts, les priodes de fonctionnement vitesse constante sont limites. La diminution des freinages dissipatifs est donc un moyen incontournable pour diminuer la consommation. Concernant la consommation, une autre amlioration peut tre apporte par l'augmentation du rendement intrinsque des convertisseurs et des moteurs. La rduction de la consommation est une problmatique appele devenir de plus en plus prgnante avec l'augmentation du cot de l'nergie.

Les annes 2000 ont marqu un tournant dans la conception de systmes ferroviaires selon [L2]. L'outil informatique permet en phase d'avant-projet d'assembler les composants sur une maquette virtuelle, et de se rendre compte des encombrements (par exemple en utilisant le logiciel Pro Engineer). Dans le domaine du gnie lectrique, l'outil informatique permet la multiplication des modles. Parmi ces modles, on peut distinguer les modles de dimensionnement et les modles de simulation. La finalit est toujours d'aboutir un meilleur dimensionnement et une meilleure utilisation des systmes. Il peut s'agir de modles en flux de puissance, de modles moyens par priode lectrique, de modles de simulation des transitoires (systmes d'quations diffrentielles dpendantes du temps). Ces modles de simulation des transitoires permettent de connatre les flux et potentiels dans diffrents domaines de la physique utiles au concepteur lectrotechnicien : lectricit, mcanique des fluides, thermique, magntisme. Ils peuvent tre dcrits sous forme de schmas-bloc (Logiciel Simulink) ou de circuits (Logiciels Saber, Simplorer, PSim, PSpice). Les simulations par lments ou volumes finis permettent de connatre en dtail les grandeurs magntiques (Logiciel Maxwell, ...), fluidiques (Logiciel Fluent), ou thermiques (Logiciel Flowtherm, ...) dans le volume du composant en cours de conception ou simul dans une nouvelle configuration. Les modles reprsentant les composants existants peuvent tre stocks sous une forme standardise dans une base de donnes. Lorsqu'un nouveau projet est lanc, le concepteur peut aller chercher rapidement dans cette base de donnes les composants existants et tudier leur adaptabilit (logiciel interne d'Alstom Cithel).

Introduction

11

La puissance croissante des ordinateurs permet de multiplier les essais virtuels, et d'ajuster au mieux les variables des modles. Pour atteindre cet objectif, les algorithmes d'optimisation sont d'autant plus indispensables que le nombre de variables est important et que le couplage (interdpendance) des variables est important. Le dveloppement de mthodes (d'un point de vue mathmatique) d'optimisation efficaces est tout aussi, sinon plus important que la puissance des ordinateurs dans l'objectif d'atteindre des optimums. Dans l'industrie, la matrise de l'outil d'optimisation est parfois confie ou partage avec une entreprise sous-traitante, comme l'illustre l'association d'Eurodcision et de Renault dans le cadre du projet OPSIM (descriptif en annexe). L'optimisation est une discipline part entire et peut ncessiter une expertise de spcialiste, mme si des solutions existent pour faciliter l'accs aux ingnieurs (logiciel ModeFrontier).

En rsum, la diminution de l'encombrement des systmes de traction, la diminution de la consommation nergtique, l'utilisation de mthodes numriques de simulation et d'optimisation sont trois enjeux de la traction ferroviaire actuelle, et forment le fil conducteur du prsent rapport. Ces enjeux sont dvelopps dans le chapitre 1. Les chapitres suivants dcrivent les thmes abords, les modles et les optimisations raliss.

Cette thse est intervenue dans le cadre du projet OPSIM dont un descriptif est donn en annexe. Cette thse a t ralise en collaboration avec Alstom-transport Tarbes. Les attentes d'Alstom qui ont motiv cette thse sont reportes dans le document de lancement du projet OPSIM. Il s'agit de montrer l'utilit de l'optimisation pour la conception des chanes de traction, pour l'amlioration des produits et pour la rduction des temps de cycle. Du point de vue scientifique, les retombes attendues concernent principalement la mthodologie doptimisation. Les problmes industriels traits doivent permettre d'prouver les mthodes dveloppes et d'en dvelopper de nouvelles. En particulier, l'objectif est de mettre en uvre des mthodes d'optimisation multi-niveaux [L8][T2][A8].

Deux thmes principaux ont t abords, et sont dvelopps dans le prsent rapport. Le premier concerne un systme de stockage embarqu. L'objectif est d'arriver un dimensionnement optimal de tous les composants du systme de stockage, la fonction de ce systme tant de diminuer l'nergie consomme par le tramway. Les rsultats des recherches sur ce thme sont l'objet du chapitre 2. Les attentes d'Alstom sur ce thme ont concernes la stratgie de commande. Plus gnralement, ce thme a t l'occasion d'tudier les stratgies de commande, de dimensionner le stockage par rapport son retour sur investissement, et enfin de tester une mthode originale d'optimisation multiniveaux de Target Cascading [A8] pour dimensionner plus en dtail les composants du systme de stockage.

Le second thme concerne la pr-tude d'une chane de traction pour mtro. La chane de traction propose doit avoir un encombrement et des pertes rduites, par rapport une chane de traction actuelle. La chane de traction actuelle, qui sert de rfrence, est prsente au chapitre 3. Dans ce mme chapitre sont dtaills les choix technologiques propres la solution propose. Au chapitre 4 est prsent le modle de simulation. Ce modle considre un systme de traction dj dimensionn, et calcule principalement des grandeurs dpendant du point de fonctionnement. Parmi ces grandeurs figurent les pertes Joule et les pertes fer. A partir de ces pertes, le modle prsent au chapitre 5 calcule les tempratures en diffrents points du systme. Au chapitre 6 est ralise l'optimisation et une solution optimale suivant les critres retenus est dtaille. Les attentes d'Alstom concernaient la validation, la quantification de l'intrt, et l'assimilation de la dmarche de la conception optimale.

Une originalit du travail dvelopp dans ce manuscrit est la prise en compte du problme de conception dans son ensemble. Une attention toute particulire a t apporte ne pas oublier de composants ou de critres importants, dans la mesure des donnes disposition. En effet, c'est un

Vers une conception optimale des chanes de traction ferroviaire

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systme entier qui est conu et c'est un problme de conception entier qui doit tre rsolu. L'oubli d'un composant ou d'un critre pourrait conduire une solution sous-optimale voire inadapte.

Une autre ide concerne la conception simultane de la commande avec le dimensionnement. Cette ide s'est traduite par la prise en compte de la frquence de dcoupage dans la conception du moteur grande vitesse, par la recherche de la stratgie de pilotage dans le cas du systme de stockage.

Dans les deux cas, systme de stockage, chane de traction grande vitesse, l'utilisation du systme conu est fondamentalement cyclique. Pour cette raison une donne d'entre incontournable du dimensionnement est le cycle de fonctionnement. Les rsultats du chapitre 6 montrent que le cycle de fonctionnement impacte significativement la conception du moteur.

Contexte du projet

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1 Contexte du projet Ce document traite de conception de systmes de traction futurs. Pour cette raison, il est utile de

commencer par un expos des systmes de traction passs et actuels, ce qui est fait en partie 1.1. En parties 1.2 et 1.3, les possibilits offertes par les futurs interrupteurs Carbure de Silicium et le stockage bord sont introduits. En effet, il s'agit des deux volutions investigues dans ce travail. Paralllement ces volutions d'ordre technologique, les progrs de l'informatique permettent de multiplier modlisation et simulation. Ces progrs concernent le matriel (capacit de calcul augmente) ainsi que le gnie logiciel et les mathmatiques appliques (outils de simulation et d'optimisation). Au cours des tudes dcrites dans le prsent document, diffrentes mthodes numriques (analyse et plus particulirement optimisation) ont t utilises dans le but de trouver des solutions optimales sur la base des modles tablis. Ces mthodes sont dcrites en partie 1.4. Dans cette partie 1.4, on insiste au travers d'exemples sur le fait que la conception de tout systme est systmique, dans le sens o cette conception est indissociable de la fonction du systme entier. Cette considration a guid la ralisation des modles.

1.1 Evolution des chanes de traction

1.1.1 Intrt du ferroviaire

Les premires voies ferres ont t construites dans des mines au 16ime sicle, dans le but de permettre aux hommes et aux chevaux de transporter des charges plus importantes en suivant un parcours impos. Les deux grandes caractristiques du ferroviaires sont la rsistance l'avancement rduite, et le guidage.

En matire de transport, le rail a un avantage nergtique important par rapport la route. Globalement, le rail reprsente en France 2.5% d'nergie consomme pour 10% de passager-kilomtres parcourus. La plupart des grandes lignes sont lectrifies ; l'lectricit est principalement produite en France par des centrales nuclaires qui ne rejettent pas de CO2. Pour ces raisons, le transport ferroviaire est, en France, peu producteur de CO2. Par rapport la voiture et l'avion, le ferroviaire est ainsi non seulement plus conomique en terme d'nergie, mais surtout beaucoup moins polluant.

Parmi les autres avantages du transport ferroviaire par rapport la route, les temps de parcours sont rduits, la scurit et le confort des passagers sont amliors. Ces avantages taient plus marqus au dbut du 20ime sicle qu'aujourd'hui. C'est probablement pour cette raison que d'une part le nombre de kilomtres de voies ferres a diminu, et que d'autre part la plus grande partie du trafic s'est concentre sur des axes importants. Il ne subsiste plus en effet que 30000 km de voies ferres aujourd'hui au lieu de 60000 km en 1900. Cependant, le rseau routier tant bien dvelopp aujourd'hui, on peut penser que les limites de cette volution sont atteintes [L1].

Parmi les grandes innovations qui ont fait voluer la traction ferroviaire, il faut citer la machine vapeur vers 1800, la traction lectrique partir de 1880, et enfin l'lectronique de puissance partir de 1970.

1.1.2 La machine vapeur

La machine vapeur a considrablement augment l'effort disponible pour mettre en mouvement les convois. Cela a permis au transport ferroviaire de sortir des mines o il se trouvait confin. A partir de 1830 a dbut en Europe la construction de voies ferres pour relier des villes lointaines, transporter des hommes et des marchandises. Cependant, la forte inertie de la machine, la faible puissance massique, la difficult d'acheminer le charbon, le travail difficile des mcaniciens, les temps de

Vers une conception optimale des chanes de traction ferroviaire

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maintenance sont des limites pour la traction vapeur. La prsentation d'un prototype de train lectrique en Allemagne en 1880 a fait sensation, mais il a fallu longtemps l'lectricit pour supplanter la vapeur.

1.1.3 Traction lectrique ancienne

Du dbut de la traction lectrique, l'absence de convertisseurs de puissance commands a pratiquement fait de la machine collecteur excitation srie la seule technologie utilise commercialement [L2]. Deux solutions ont t trouves pour alimenter des moteurs de ce type et rgler le couple, respectivement partir d'une catnaire continue et monophase. A partir d'une catnaire de tension continue basse, de 600 V 3000 V, le couple peut tre rgl par des rsistances variables selon le schma de la Figure 1-1. A partir d'une tension monophase haute, de l'ordre de 12 kV 15 kV, le montage en moteur direct permet d'attaquer directement le moteur par une tension monophase rduite, en utilisant un autotransformateur variable, dit transformateur gradins ou encore graduateur, selon le schma de la Figure 1-2.

Figure 1-1. Principe d'une chane de traction ancienne tension continue

Un avantage de la tension continue tait l'indpendance par rapport au rseau industriel triphas. En effet, les catnaires pouvaient tre alimentes par des redresseurs vapeur de mercure, connects au rseau industriel. Par rapport au moteur direct, la commande du moteur tait aussi plus aise, et la masse embarqu plus faible, en l'absence de transformateur. Cependant, les pertes et la chaleur vacuer taient importantes en raison de la puissance perdue dans les rhostats, mme si des solutions techniques ont t trouves pour rduire ces pertes. D'autre part, la catnaire devait tre dimensionne en relation avec des courants importants.

Figure 1-2. Principe d'une chane de traction ancienne tension monophase et moteur direct

Contexte du projet

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Dans le cas de la tension monophase, le bon fonctionnement du moteur direct ncessitait d'utiliser des frquences basses pour faciliter la commutation : 16.66 Hz 25 Hz. Ces frquences taient difficiles obtenir partir du rseau industriel de 50 Hz. Il tait ncessaire d'utiliser des groupes tournant. Cependant, cette poque l'exploitation des voies ferres tait ralise par de multiples compagnies disposant parfois de leurs centrales de production lectrique fournissant directement la frquence adquate. D'autre part, le moteur direct tait de construction plus complexe, et n'tait performant que pour une vitesse nominale. Le dmarrage de trains lourds tait plus difficile.

A partir des annes 1950, les premiers redresseurs embarqus permettent d'alimenter les trains grandes lignes avec une tension monophase la frquence industrielle de 50 Hz, selon le schma de principe de Figure 1-3, qui combine les avantages des deux solutions antrieures. Les diodes du schma taient initialement des ignitrons vapeur de mercure. Dans les lectrifications nouvelles de grandes lignes, le 25 kV-50 Hz a pris le pas sur les autres tensions, avec l'avantage d'un nombre de sous-stations rduites.

Figure 1-3. Chane de traction ancienne tension monophase et redresseur

Pour les transports urbains, la tension continue de 600 V ou 750 V est reste la plus avantageuse jusqu' nos jours. En effet, le transformateur est alors au sol, ce qui permet d'allger le vhicule.

1.1.4 Evolution rcente de la traction lectrique

A partir de 1970, l'apparition des interrupteurs commands va permettre les dveloppements qui conduiront aux trains modernes. Applique au moteur collecteur, l'lectronique de puissance va permettre un contrle plus fin du couple, par rapport toutes les solutions antrieures. En particulier on s'affranchit des ruptures de couple dues aux positions discrtes du graduateur ou du rhostat. La consquence est une fiabilit accrue du moteur et de la transmission, un confort et des performances amliors. Le contrle de la tension se fait maintenant par un redresseur command sous catnaire monophase, ou bien par un hacheur sous catnaire continue.

Etant donn que les interrupteurs commands permettent de gnrer la tension souhaite, y compris polyphase, la suppression du collecteur devient envisageable, avec l'avantage d'une maintenance rduite. D'autre part, la vitesse priphrique du rotor n'est alors plus limite. Cela permet de concevoir des moteurs plus petits et plus rapides, pour une puissance quivalente. A partir de 1980, diffrentes technologies de moteur seront utilises, asynchrone cage, synchrone rotor bobin, et enfin synchrone aimants permanent, avec une progression en terme de puissance massique. En fait, ce rapport est en progression continue depuis les dbuts de la traction lectrique comme l'illustre la Figure 1-4 extraite de [D1].

Vers une conception optimale des chanes de traction ferroviaire

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Figure 1-4. Evolution du rapport poid/puissance des moteurs de traction au cours du temps d'aprs [D1].

Dans le mme temps l'volution de l'lectronique de puissance a t importante. Les premiers schmas de puissance thyristors taient complexes et conduisait des convertisseurs lourds et encombrants. L'utilisation des transistors GTO puis des IGBT a considrablement simplifi les convertisseurs qui sont galement devenus de plus en plus compacts et lgers. En outre, la qualit de la tension fournie au moteur a t amliore. Le contenu harmonique du courant appel sur la catnaire, ainsi que le facteur de puissance, dfavorables au dpart, ont t fortement amliors. La Figure 1-5 dcrit un schma actuel avec un onduleur de tension.

Figure 1-5. Schma de principe d'une chane de traction actuelle bi-tension

Contexte du projet

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Sur la Figure 1-5, l'onduleur de tension fournit au moteur une tension triphase rglable en amplitude et en frquence. Dans le cas d'une catnaire continue, le bus continu est reli la catnaire par un filtre. Dans le cas d'une catnaire monophase, la tension de bus est rgule par un redresseur command reli un secondaire du transformateur. Le hacheur rhostatique permet le freinage lectrique lorsque la catnaire n'est pas rversible.

Les convertisseurs de puissance actuels utilisent exclusivement des IGBT. Les fabricants proposent des packs IGBT comprenant le transistor IGBT et sa diode en antiparallle dans le mme botier - Figure 1-6. Ces packs comprennent sur leur face suprieure les diffrentes connectiques haute et basse tension. La face infrieure est une surface plane destine transmettre la chaleur. Les packs sont ensuite monts sur une plaque eau ou un radiateur. Les connectiques haute tension sont relies par l'intermdiaire de bus bar. L'ensemble form peut constituer un bras d'onduleur ou un onduleur entier, il comprend la commande rapproche et constitue une unit lmentaire facilement dposable - Figure 1-6. Ces modules comprennent de faon courante l'onduleur et le bras du hacheur rhostatique.

Figure 1-6. Pack IGBT Mitsubishi 6500V/750A et module de puissance Palix refroidi eau

Un livre de synthse sur la traction ferroviaire est [L2]. Aprs cet aperu chronologique des quipements de traction, deux problmatiques actuelles sont prsentes. Les travaux de recherche dcrit dans le prsent manuscrit s'inscrivent dans ces problmatiques.

1.1.5 Des quipements de traction plus compacts

Une problmatique actuelle consiste loger le maximum de passagers dans une longueur de quai donne. Ce critre entrane des efforts de recherche de la part de beaucoup de constructeurs de matriel roulant. C'est ventuellement un lment de prfrence pour le client, comme l'illustre la Figure 1-7 issue d'une brochure publicitaire de Siemens [D2]. Du point de vue de ce critre, un train intressant est le TGV Duplex 2 niveaux et motorisation concentre, qui emporte 45% de passagers de plus qu'un TGV classique, 320(km/h) grce ses deux niveaux. Il existe galement un train grande vitesse et 2 niveaux au Japon, le Shinkansen series E1 et E4 qui circule 240(km/h) et emporte 1200 passagers pour 300(m) de longueur de quai. Dans ce cas la motorisation est rpartie, une voiture motrice est suivie d'une remorque [D4].

Vers une conception optimale des chanes de traction ferroviaire

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Figure 1-7. Importance du nombre de passagers par longueur de quai pour

Le nombre de passager a t aussi un lment cl dans le choix d'une motorisation rparl'Automotrice Grande Vitesse d'Alstom jusque dans les voitures aux extrmits. Sur ce train, l'lectronique de puissance et les moteurs ont fait l'objet de fortes contraintes d'encombren termes de masse, mais aussi d'nergie [D3].

Figure

La tendance des chanes de tractiovitesse. Un exemple est la volont d'un tramway plancher bas intgral, qui a donn naissance au bogie Arpge. La partie centrale d'un bogie Arpge est vide. Le moteur est l'extrieur du chssidu bogie comme illustr sur la Figure 300 kg refroidis par eau. Le constructeur moteurs synchrones aimants de gauche) [D5]. Dans les vhicules sur pneus comme le VAL208, le moteur trouve sa place dans le moyeu [L2].

Vers une conception optimale des chanes de traction ferroviaire

. Importance du nombre de passagers par longueur de quai pour

Le nombre de passager a t aussi un lment cl dans le choix d'une motorisation rpard'Alstom ( un seul niveau), car ce choix permet de loger des passagers

jusque dans les voitures aux extrmits. Sur ce train, l'lectronique de puissance et les moteurs ont fait l'objet de fortes contraintes d'encombrement. La brochure d'Alstom met en avant l'avantage de ce train en termes de masse, mais aussi d'nergie [D3].

Figure 1-8. Extraits d'une brochure commerciale sur l'AGV

La tendance des chanes de traction de plus en plus compactes ne concerne pas que la grande vitesse. Un exemple est la volont d'un tramway plancher bas intgral, qui a donn naissance au bogie Arpge. La partie centrale d'un bogie Arpge est vide. Le moteur est l'extrieur du chssi

Figure 1-9 ( droite). Il s'agit de moteurs asynchrones de refroidis par eau. Le constructeur Skoda a opt pour une solution plus rpartie avec des petits synchrones aimants de 46 kW en prise directe sur chaque roue, sans rducteur

gauche) [D5]. Dans les vhicules sur pneus comme le VAL208, le moteur trouve sa place dans le

. Importance du nombre de passagers par longueur de quai pour Siemens

Le nombre de passager a t aussi un lment cl dans le choix d'une motorisation rpartie pour car ce choix permet de loger des passagers

jusque dans les voitures aux extrmits. Sur ce train, l'lectronique de puissance et les moteurs ont fait met en avant l'avantage de ce train

n de plus en plus compactes ne concerne pas que la grande vitesse. Un exemple est la volont d'un tramway plancher bas intgral, qui a donn naissance au bogie Arpge. La partie centrale d'un bogie Arpge est vide. Le moteur est l'extrieur du chssis

( droite). Il s'agit de moteurs asynchrones de 175 kW pour a opt pour une solution plus rpartie avec des petits

en prise directe sur chaque roue, sans rducteur - Figure 1-9 ( gauche) [D5]. Dans les vhicules sur pneus comme le VAL208, le moteur trouve sa place dans le

Figure 1-9. Bogies moteurs

En rsum, la minimisation de la masse, des pertes, la volont d'une chane de traction "invisible" sont des problmatiques actuelles. Dans ce manuscrit, il est question de l'optimisation de la masse d'un systme de traction pour mtro lourd. Cette optimisation fait l'objet des chapitres 3 6. La solution technique propose est base sur l'emploi d'interrupteurs Carbure de Silicium.permettront ces interrupteurs sont expliques de faon qualitative en partie

La conception dcrite dans ce manuscrit est systmique, dans le sens o les composants ne sont pas optimiss individuellement. C'est le systme de traction tout entier qui est optimis de faon tre aussi performant que possible au regard des critres. L'intrt d'une telle conception est dcrit en partie 1.4.

Diffrentes mthodes numriques ont t utilises au cours de cette tude. Le principe mathmatique de ces mthodes est introduit en partie au concepteur, en particulier quand le lien entre les degrs de liberts et les critres qu'il cherche optimiser est trop complexe, et rsiste l'analyse.

1.1.6 Le stockage d'nergie bord

La Figure 1-10 montre deux tramways l'intgration des quipements de traction et le plancher bas, il faut remarquer l'absence de catnaire. C'est une particularit de l'offre d'Alstom ne pas dfigurer les centres historiques. A Bordeaux la solution technique est une alimentation par le sol (A.P.S) ; Nice il s'agit de batteries embarques.

Figure 1-10. Tramways

Le stockage d'nergie est un sujet actuel. Il concerne d'une part les vhicules urbains lgers, et d'autre part l'hybridation des locomotives de manuvre [T1].

. Bogies moteurs Skoda ( gauche) et Arpge ( droite, ancienne gnration)

En rsum, la minimisation de la masse, des pertes, la volont d'une chane de traction "invisible" s. Dans ce manuscrit, il est question de l'optimisation de la masse d'un

systme de traction pour mtro lourd. Cette optimisation fait l'objet des chapitres 3 6. La solution technique propose est base sur l'emploi d'interrupteurs Carbure de Silicium.permettront ces interrupteurs sont expliques de faon qualitative en partie 1.2.

La conception dcrite dans ce manuscrit est systmique, dans le sens o les composants ne sont pas ndividuellement. C'est le systme de traction tout entier qui est optimis de faon tre

aussi performant que possible au regard des critres. L'intrt d'une telle conception est dcrit en partie

ntes mthodes numriques ont t utilises au cours de cette tude. Le principe mathmatique de ces mthodes est introduit en partie 1.4. Ces mthodes fournissent une aide prcieuse

quand le lien entre les degrs de liberts et les critres qu'il cherche optimiser est trop complexe, et rsiste l'analyse.

Le stockage d'nergie bord

montre deux tramways Citadis en action respectivement Bordeaux et Nice. Outre l'intgration des quipements de traction et le plancher bas, il faut remarquer l'absence de catnaire.

d'Alstom de proposer des solutions sans catnaire, principalement pour dfigurer les centres historiques. A Bordeaux la solution technique est une alimentation par le

; Nice il s'agit de batteries embarques.

. Tramways Citadis Bordeaux ( gauche) et Nice ( droite)

Le stockage d'nergie est un sujet actuel. Il concerne d'une part les vhicules urbains lgers, et d'autre part l'hybridation des locomotives de manuvre [T1].

Contexte du projet

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( droite, ancienne gnration)

En rsum, la minimisation de la masse, des pertes, la volont d'une chane de traction "invisible" s. Dans ce manuscrit, il est question de l'optimisation de la masse d'un

systme de traction pour mtro lourd. Cette optimisation fait l'objet des chapitres 3 6. La solution technique propose est base sur l'emploi d'interrupteurs Carbure de Silicium. Les avances que

La conception dcrite dans ce manuscrit est systmique, dans le sens o les composants ne sont pas ndividuellement. C'est le systme de traction tout entier qui est optimis de faon tre

aussi performant que possible au regard des critres. L'intrt d'une telle conception est dcrit en partie

ntes mthodes numriques ont t utilises au cours de cette tude. Le principe . Ces mthodes fournissent une aide prcieuse

quand le lien entre les degrs de liberts et les critres qu'il cherche

spectivement Bordeaux et Nice. Outre l'intgration des quipements de traction et le plancher bas, il faut remarquer l'absence de catnaire.

de proposer des solutions sans catnaire, principalement pour dfigurer les centres historiques. A Bordeaux la solution technique est une alimentation par le

t Nice ( droite)

Le stockage d'nergie est un sujet actuel. Il concerne d'une part les vhicules urbains lgers, et

Vers une conception optimale des chanes de trac

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En partie 1.3.1 seront dtaillespartie 1.3.2 seront prsents les solutions techniques commercialises, avec leurs avantages et inconvnients. Au chapitre 2 sera prsente l'optide cette tude concerne l'valuation d'une mthode d'optimisation, introduite en partie

Les deux voies d'amlioration des systmes de traction futurs vde Silicium et systme de stockage de l'nergie (SSE), sont prcises dans les parties suivantes, respectivement 1.2 et 1.3.

1.2 Interrupteurs au Carbure de Silicium

1.2.1 Apparition et volution

Le carbure de Silicium (SiC) est un substrat permettant de raliser des composants lectroniques. Les premires applications en lectronique de puissance sont intervenues au dbut des annes 2000. Le carbure de Silicium est un substrat prometteur parmi d'autres, nitrure de Galium (GaN) et diamant [A1], mais son utilisation industrielle est un stade plus avanc.

Powerex propose des modules hybrides comportant un SiC, et aussi un module avec un transistor pour cette tude [D6].

Figure

Au chapitre 3, un modle de perperformances de cet interrupteur, par rapport un interrupteur au Silicium. Les rsultats mettent en avant une nergie perdue par commutation fortement rduite. C'est cet avantage qui est mis pour cette tude.

Un des objets de l'tude est de quantifier l'intrt du Carbure de Silicium pour la traction ferroviaire. Appliqu au schma de la permettre soit d'augmenter le nombre de dcoupes par priode lectrique, soit d'augmenter la frquence lectrique du moteur en gardant le mme nombre de dcoupes par priode. Le premier cas revient augmenter seule la frquence de dcoupage. Le dconcurremment la frquence lectrique et la frquence de dcoupage.

1.2.2 Augmenter la frquence de dcoupage

Les moteurs de faible puissance fonctionnant en variation de vitesse sont souvent commands avec une frquence de dcoupage fixe, leve par rapport la frquence lectrique maximale. Dans le ferroviaire, compte-tenu des niveaux de puissance, les frquences de dcoupe maximales permises par les interrupteurs actuels sont trop proches des frquences lectriques pour permettcommande. Par exemple, pour frquence de dcoupe limite

Vers une conception optimale des chanes de traction ferroviaire

seront dtailles les diffrentes fonctions d'un systme de stockage embarqu. En seront prsents les solutions techniques commercialises, avec leurs avantages et

inconvnients. Au chapitre 2 sera prsente l'optimisation d'un systme de stockage embarqu. Le but de cette tude concerne l'valuation d'une mthode d'optimisation, introduite en partie

Les deux voies d'amlioration des systmes de traction futurs voques, interrupteurs au Carbure de Silicium et systme de stockage de l'nergie (SSE), sont prcises dans les parties suivantes,

teurs au Carbure de Silicium

Apparition et volution

Le carbure de Silicium (SiC) est un substrat permettant de raliser des composants lectroniques. Les premires applications en lectronique de puissance sont intervenues au dbut des annes 2000. Le

bure de Silicium est un substrat prometteur parmi d'autres, nitrure de Galium (GaN) et diamant A1], mais son utilisation industrielle est un stade plus avanc.

propose des modules hybrides comportant un IGBT au Silicium et une diode , et aussi un module avec un transistor MOSFET SiC. C'est ce dernier interrupteur qui est considr

Figure 1-11. Interrupteur Powerex 1200(V) 100(A)

Au chapitre 3, un modle de pertes identifi sur un banc d'essai est utilis pour valuer les performances de cet interrupteur, par rapport un interrupteur au Silicium. Les rsultats mettent en avant une nergie perdue par commutation fortement rduite. C'est cet avantage qui est mis

Un des objets de l'tude est de quantifier l'intrt du Carbure de Silicium pour la traction ferroviaire. Appliqu au schma de la Figure 1-5 et en raisonnant de faon binaire, cet avantpermettre soit d'augmenter le nombre de dcoupes par priode lectrique, soit d'augmenter la frquence lectrique du moteur en gardant le mme nombre de dcoupes par priode. Le premier cas revient augmenter seule la frquence de dcoupage. Le deuxime cas revient augmenter concurremment la frquence lectrique et la frquence de dcoupage.

Augmenter la frquence de dcoupage

Les moteurs de faible puissance fonctionnant en variation de vitesse sont souvent commands avec age fixe, leve par rapport la frquence lectrique maximale. Dans le

tenu des niveaux de puissance, les frquences de dcoupe maximales permises par les interrupteurs actuels sont trop proches des frquences lectriques pour permettcommande. Par exemple, pour l'AGV, la frquence lectrique maximale est de frquence de dcoupe limite 1500Hz. En outre, cette frquence de 1500Hz

les diffrentes fonctions d'un systme de stockage embarqu. En seront prsents les solutions techniques commercialises, avec leurs avantages et

misation d'un systme de stockage embarqu. Le but de cette tude concerne l'valuation d'une mthode d'optimisation, introduite en partie 1.4.5.

oques, interrupteurs au Carbure de Silicium et systme de stockage de l'nergie (SSE), sont prcises dans les parties suivantes,

Le carbure de Silicium (SiC) est un substrat permettant de raliser des composants lectroniques. Les premires applications en lectronique de puissance sont intervenues au dbut des annes 2000. Le

bure de Silicium est un substrat prometteur parmi d'autres, nitrure de Galium (GaN) et diamant

au Silicium et une diode Schottky C'est ce dernier interrupteur qui est considr

tes identifi sur un banc d'essai est utilis pour valuer les performances de cet interrupteur, par rapport un interrupteur au Silicium. Les rsultats mettent en avant une nergie perdue par commutation fortement rduite. C'est cet avantage qui est mis profit

Un des objets de l'tude est de quantifier l'intrt du Carbure de Silicium pour la traction et en raisonnant de faon binaire, cet avantage peut

permettre soit d'augmenter le nombre de dcoupes par priode lectrique, soit d'augmenter la frquence lectrique du moteur en gardant le mme nombre de dcoupes par priode. Le premier cas

euxime cas revient augmenter

Les moteurs de faible puissance fonctionnant en variation de vitesse sont souvent commands avec age fixe, leve par rapport la frquence lectrique maximale. Dans le

tenu des niveaux de puissance, les frquences de dcoupe maximales permises par les interrupteurs actuels sont trop proches des frquences lectriques pour permettre ce type de

la frquence lectrique maximale est de 500Hz pour une n'est atteignable que

Contexte du projet

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pour des valeurs rduites de courant. Le rsultat est que le dcoupage asynchrone n'est utilis que pour dcoller le train de l'arrt. Pour les vitesses intermdiaires, le rglage de la tension fait intervenir des stratgies angles calculs, pour minimiser des critres de bruits ou de pertes, parce que le nombre de dcoupes possible par priode lectrique est faible.

Le fait de pouvoir dcouper une frquence suprieure permettrait de simplifier la commande, mais aussi d'amliorer probablement le bruit et les pertes du moteur.

Outre les commutations plus rapides, une qualit intrinsque du carbure de Silicium concerne la conduction de la chaleur et la temprature maximale de jonction supportable. Cette temprature est annonce 600(C) contre 175(C) pour le Silicium. Actuellement les packs SiC sont conus pour les mmes tempratures que les packs Silicium. Cependant, dans l'hypothse o les fabricants proposaient l'avenir des packaging supportant ces niveaux de temprature, c'est aussi le refroidissement du module de puissance qui pourrait tre simplifi. Pour une temprature ambiante de 40(C), la puissance de refroidissement pourrait tre rduite d'un facteur proche de 4.

1.2.3 Augmenter la frquence lectrique

L'autre faon de profiter du carbure de Silicium consiste augmenter simultanment la frquence de dcoupage et la frquence lectrique du moteur. La frquence lectrique peut tre augmente soit en augmentant le nombre de ples, soit en augmentant le rapport de rduction et par suite la vitesse de rotation. Dans les deux cas la masse du systme est rduite.

Dans le premier cas la masse de fer est rduite. Dans le deuxime cas la masse de moteur est fortement rduite, alors que la masse de rducteurs est, au plus, faiblement augmente, comme expliqu au chapitre 3. La puissance massique des moteurs ferroviaires est en constante augmentation, et le carbure de silicium semble une opportunit pour l'augmenter encore.

Il faut souligner que ce gain de masse se fait sans augmentation de la complexit. Le schma de la Figure 1-5 reste valable. Il faudrait toutefois disposer d'interrupteurs de calibre suffisant. Le mtro fonctionne sur une tension catnaire nominale de 750(V), mais les surtensions peuvent dpasser le calibre en tension de 1200(V) donn pour l'interrupteur considr. En l'absence d'interrupteur de calibre suffisant, des structures multi-niveaux, des moteurs avec un plus grand nombre de phases pourraient tre des solutions intressantes pour viter de devoir mettre en srie et en parallle plusieurs interrupteurs. Ces solutions ne sont pas abordes dans la prsente tude, qui ne concerne que des moteurs triphass et pour laquelle sera suppose l'absence de surtensions. En effet, des interrupteurs de calibre suffisant devraient voir le jour, l'avenir.

1.2.4 Plan de l'tude

Pour cette tude, les 2 avantages cits sont exploits conjointement et un systme de traction plus compact est propos.

Le mtro de rfrence est prsent au chapitre 3. La technologie actuelle du systme de traction est prsente, ainsi que les choix technologiques pour la solution propose. Au chapitre 4, la modlisation lectromagntique est dcrite. Au chapitre 5, la modlisation thermique est dcrite. Au chapitre 6, des solutions amliores obtenues par optimisation sont dcrites, et une d'entre elles sert de rfrence pour comparaison avec la solution actuelle.

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1.3 Stockage de l'nergie bord

1.3.1 Fonction d'un stockage embarqu

La fonction principale d'un moyen de stockage est la capacit de rouler en autonomie, comme illustr sur la Figure 1-10, c'est--dire sans la catnaire. La raison principale est lie l'esthtique, mais cette capacit peut aussi permettre d'conomiser des cots d'quipement lorsque l'installation de la catnaire est complique, sur certains carrefours et pour de courtes distances.

Le temps d'arrt en station peut tre mis profit pour remplir le moyen de stockage. Pour de longs tronons en autonomie, le stockage peut tre associ avec profit une alimentation par le sol. L'alimentation par le sol est une installation complexe et non rcupratrice de l'nergie. Le stockage peut permettre de rduire la longueur quipe d'alimentation par le sol, en la limitant aux intervalles les plus consommateurs de puissance, acclrations ou ctes.

Une fonction secondaire du moyen de stockage concerne la gestion de l'nergie. Le stockage peut stocker l'nergie pendant les phases de freinage et la restituer pendant les phases de traction. La puissance appele sur la catnaire est ainsi lisse et les pics de puissance sont rduits. Une quantit d'nergie correspondant aux cas o la catnaire n'est pas en tat de rcuprer l'nergie est conomise.

L'installation d'un moyen de stockage n'est pas neutre et pose des problmes d'encombrement, de masse l'essieu, et augmente l'effort pour mettre en mouvement le tramway. Il est important de dimensionner le moyen de stockage en fonction du besoin.

1.3.2 Technologies de stockage embarqu

Alstom utilise respectivement des volants d'inertie et des Batteries NiMh Amsterdam et Nice. Un dmonstrateur supercapacits a t test en service commercial sur une ligne en rgion parisienne.

Ces technologies se diffrencient par leur nergie et puissance massique. Ces caractristiques ne sont pas forcment faciles dfinir. Il faut considrer l'nergie utile, qui dpend de la profondeur de dcharge. Quant la puissance maximale, elle est fonction du niveau de charge. Il faut considrer une puissance maximale moyenne de dcharge. Cela permet de dfinir aussi une dure de dcharge.

Une comparaison en ordre de grandeur est donne dans le Tableau 1-1. Une faon pratique de comparer les technologies en matire d'nergie et de puissance est le diagramme de Ragone [T1]. Toutefois, les performances d'un moyen de stockage sont fortement dpendantes de l'application et il est difficile de les rsumer dans un tableau.

Tableau 1-1. Diffrentes technologies de stockage, d'aprs [T1]

Technologie Densit d'nergie (Wh/kg)

Densit de puissance (W/kg)

Dure de dcharge

Dure de vie

Batteries 10 300 20 300 1(h) 5 Volant d'inertie 3 30 300 1000 36(s) 20 Supercapacits 0.6 10 1000 5000 3.6(s) 10

Sur la ligne des Marchaux en rgion parisienne, le pack de supercapacits install en toiture est suffisant pour franchir une courte interstation en autonomie, avec le pantographe baiss. C'est cette technologie qui a t retenue pour cette tude. Le but est une reconception du systme de stockage, incluant le convertisseur et les lments de stockage. Cette tude est dtaille au chapitre 2.

Contexte du projet

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1.4 Conception systmique des chanes de traction

1.4.1 Intrt d'une conception systmique

Une conception systmique dsigne une conception dans laquelle les composants sont conus au regard de la performance du systme entier. C'est--dire que les critres de conception ne s'expriment pas au niveau du dispositif conu mais concernent le systme tout entier. Par exemple, si le but est de minimiser la masse du systme, la conception du moteur ne doit pas considrer seulement la masse du moteur, mais de prfrence la masse du systme entier incluant le refroidissement et le rducteur.

En pratique, la conception d'un systme de traction est toujours plus ou moins systmique. En effet, les composants interagissent travers un nombre incalculable d'interactions, et en l'absence de considration pour ces interactions le train ne pourrait pas exister. Cependant, des voies d'amlioration existent toujours et des cas de conception "individualistes" sont parfois observs. Nous avons par exemple reu l'cho de composants qui se trouvaient normalement dans le coffre traction, mais qui avaient t rejets l'extrieur, entranant des problmes d'encombrement et de cblage. Alors que ces composants avaient leur place dans le coffre. La raison tait le prix insuffisant demand au fournisseur du coffre, cible inatteignable pour lui.

La conception systmique n'est pas forcment l'affaire d'algorithmes. Cependant, en prtude, des algorithmes peuvent tre utiliss avec profit pour fixer des cibles pertinentes. Par exemple, [T1] utilise un algorithme pour dfinir le meilleur dimensionnement respectif d'un moteur thermique, d'un pack de batterie Li-ion et d'un pack de supercapacits pour l'hybridation d'une locomotive de manuvre.

Dans l'tude de la chane de traction, les degrs de libert concernent le convertisseur, le moteur et le refroidisseur. Les critres de masse et de pertes sont exprims au niveau du systme entier. Il s'agit ainsi d'une modlisation systmique, et les optimums trouvs sont optimal vis--vis du systme.

1.4.2 Outils pour la conception systmique

Un certain nombre de mthodes numriques sont utilises au cours des deux tudes, sur la chane de traction et le stockage. Dans la modlisation de la chane de traction, une mthode d'optimisation sans contrainte est utilise pour trouver l'paisseur d'aimant en lien avec le niveau d'induction dans l'entrefer demand chapitre 6. Plus loin, dans une premire phase de conception, un plan d'exprience est utilis suivi d'un classement des solutions, dans le but de rduire le domaine d'tude.

Pour le problme principal d'optimisation de la chane de traction, deux types d'algorithmes ont t utiliss pour trouver une solution, respectivement un algorithme gntique pour dgager les premires tendances, et un algorithme de type SQP pour une solution optimale prcise. L'tude sur le systme de stockage est un moyen de tester une formulation de problmes plusieurs niveaux dite Target Cascading. Ladite mthode est dcrite succinctement en partie 1.4.5 et son application au chapitre 2. Une description dtaille de cette mthode est donne dans [T10].

1.4.3 Plans d'expriences

Un plan d'expriences est un ensemble de plusieurs jeux de valeurs des variables. En d'autres termes, c'est un chantillonnage de l'espace de conception. Dans le cas de cette tude le plan utilis est un plan factoriel complet. Des plans plus sophistiqus existent. Un livre de rfrence sur cette question est [L3].

Dans le cas de cette tude, le plan d'expriences dfinit diffrentes caractristiques de machines, en termes d'induction, de densit de courant, ..., comme expliqu au chapitre 6. Plusieurs topologies (nombre d'encoches, nombre de ples...) ont t appliques ce plan d'expriences afin de faire un

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classement et de reprer les topologies qui sont les plus intressantes quelles que soient les valeurs d'induction, de densit de courant, ...

Le classement a t tabli sur la base de points attribus chaque fois qu'une machine arrivait parmi les meilleures du point de vue d'un critre. Les prfrences n'taient pas difficiles tablir. Pour le cas o les prfrences sont plus difficiles tablir, des mthodes de statistiques d'analyse de donnes plus sophistiques peuvent tre utilises, telles que le partitionnement de donnes ou data clustering en anglais [L4].

Un plan d'expriences peut tre utilis pour la construction d'une surface de rponse. La surface de rponse est une expression permettant d'extrapoler la rponse pour n'importe quelles valeurs des variables, partir des valeurs connues (de part le plan d'exprience). Disposant d'une expression analytique ou tout du moins simplifie de la fonction, le minimum de la fonction est facile trouver. Ainsi, les surfaces de rponses sont souvent associes des mthodes d'optimisation. La difficult des plans d'expriences concerne le cas o le nombre de variables est lev [L5]. Le nombre d'expriences raliser devient alors prohibitif. Pour cette raison, cette voie n'a pas t suivie pour l'optimisation de la chane de traction grande vitesse (chapitre 6).

1.4.4 Optimisation sous contraintes

Les livres gnralistes traitant de l'optimisation commencent souvent leur expos par l'optimisation linaire [L6].

Lorsque la fonction objectif et les contraintes peuvent s'exprimer comme des fonctions linaires des variables, la recherche de l'optimum est une opration trs rapide. La thorie montre que l'optimum se situe ncessairement une intersection de contraintes, s'il n'est pas rejet l'infini. Dans la version la plus simple de l'algorithme du Simplexe de Dantzig, la solution est trouve par dplacement de sommet en sommet, ce qui consiste en une opration matricielle simple, en amliorant chaque fois l'objectif. Des optimisations linaires sont couramment utilises dans l'industrie, en particulier dans l'industrie ptrolire, o elles permettent de dterminer les proportions optimales des composants d'un mlange. Au chapitre 2, un algorithme d'optimisation linaire est utilis pour trouver une consigne de puissance.

Dans le cas gnral d'une fonction objectif et de contraintes non linaires, une possibilit consiste utiliser un algorithme de Sequential Quadratic Programming (SQP). Cet algorithme est itratif, partir d'un point initial unique. A chaque itration correspond un point unique x de l'espace des variables. L'algorithme construit une approximation quadratique de la fonction partir des valeurs de la fonction, de ses contraintes, et de leurs gradients respectifs, en x. Le minimum de la fonction quadratique est facile trouver, et dfinit une nouvelle solution x amliore. Lorsque c'est possible, il est prfrable de fournir le gradient. A dfaut l'algorithme doit multiplier les essais pour le calculer numriquement. Le problme de cet algorithme est qu'il peut se laisser enfermer dans des solutions locales. Pour cette raison, pralablement SQP, un algorithme gntique est utilis au chapitre 6, pour l'optimisation de la chane de traction.

Un algorithme gntique opre aussi de faon itrative mais avec un ensemble de points et non plus un point unique. Par analogie avec la gntique, cet ensemble de point est appel population. A chaque itration, un groupe des meilleurs individus est slectionn. Les caractres des individus de ce groupe sont ensuite croiss entre eux comme les gnes dans un groupe vivant, pour dfinir une nouvelle population amliore. L'opration de croisement est dlicate dfinir lorsque ces "caractres" sont un ensemble de variables valeurs relles, et il est prfrable de se rfrer des ouvrages spcialiss [L7].

Contexte du projet

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En dfinissant une population initiale qui couvre bien l'espace de recherche, le risque de trouver un optimum local est plus limit, surtout si cet optimum est peu marqu. Pour amliorer la prcision, l'optimisation de la chane de traction a utilis conscutivement un algorithme gntique et un algorithme SQP - chapitre 6.

1.4.5 Optimisation multi-niveaux

L'optimisation multi-niveaux est une discipline rcente dont un tat de l'art a t donn en 1997 dans [L8].

La mthode de Target Cascading utilise au chapitre 2 est une faon de rsoudre un problme d'optimisation dcompos en sous-problmes. Cette mthode est bien dcrite par la comparaison avec un ensemble de concepteurs lis entre eux par une liaison hirarchique, et attels la ralisation d'un projet commun. Chaque concepteur a au plus un chef mais un nombre variable de "subordonns". Chaque concepteur reoit de son chef des cibles atteindre, et en rponse solutionne au mieux son propre sous-problme de conception. Si les problmes de tous les concepteurs peuvent se formaliser sous forme de problmes d'optimisation algorithmique, alors la mthode de Target Cascading peut tre utilise. Considrons un concepteur x. Une fois qu'x a fini son travail, il envoie sa solution son chef pour qu'il l'intgre dans le projet, et envoie des cahiers des charges ses "subordonns". Chaque interlocuteur d'x va alors trouver son propre problme d'optimisation modifi. Chacun devra alors recommencer son travail jusqu' ce que tout le monde soit d'accord. Dans ce cas les diffrentes solutions et cahier des charges changs n'voluent quasiment plus chaque itration.

Une originalit de cette mthode est la relative indpendance des sous-problmes. En effet, la coordination est rduite au minimum et les sous-problmes peuvent tre excuts dans n'importe quel ordre. Dans le cas de calculs consommateur de temps, la paralllisation est ainsi facilite. Le problme dcrit au chapitre 2 a t construit dans l'objectif d'valuer cette mthode de Target Cascading. Sur ce problme, la mthode a montr de bonnes proprits de convergence.

1.5 Conclusion Dans ce premier chapitre ont t abords respectivement les systmes de traction anciens et actuels,

les volutions de ces systmes qui concernent la prsente tude (Carbure de silicium et stockage de l'nergie), ainsi que les mthodes numriques utilises dans la suite de l'tude. Dans les chapitres suivants, les deux tudes sont dtailles. L'tude concernant le stockage de l'nergie fait l'objet du chapitre 2 ; l'tude sur la chane de traction avec des interrupteurs au carbure de Silicium fait l'objet des chapitres 3, 4, 5 et 6.

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2 Systme de stockage embarqu

2.1 Introduction La prise en compte de la performance nergtique dans la conception de systmes ferroviaires est

une problmatique actuelle, comme voqu au chapitre 1. Une faon d'amliorer cette performance nergtique est de concevoir des systmes de stockage embarqus (SSE). Dans ce chapitre on tudie la conception optimale d'un systme de stockage embarqu bord d'un tramway.

La mthode de conception propose se distingue par deux particularits. D'une part, la mthodologie d'optimisation englobe les diffrents lments de la chane de l'nergie. De ce fait, on peut qualifier l'optimisation ralise de systmique. D'autre part, les modles utiliss estimeront la performance du systme au cours du temps, en particulier l'volution des tempratures, pendant une dure correspondant un cycle de fonctionnement du tramway. On ralise donc un dimensionnement sur cycle. Les optimums trouvs seront les solutions les plus performantes sur l'ensemble du cycle. Pour trouver la consigne de puissance demande au stockage, une mthode originale a t utilise. Elle fait appel une optimisation linaire pour trouver la consigne optimale au regard de la consommation d'nergie, chaque variable correspondant la puissance fournie un instant donn.

Au pralable, on prsente en partie 2.2 la technologie du moyen de stockage modlis. Il s'agit d'un pack de supercondensateurs. En partie 2.3 est prsent le calcul de la consigne de puissance du moyen de stockage. En partie 2.4, un problme de maximisation de la rentabilit des systmes de stockage, base sur l'nergie conomise, est prsent. En partie 2.5 on prsente le calcul des ondulations et de la temprature. Ce modle de simulation est utilis par le problme p0 prsent en Figure 2-14 et nonc dans le Tableau 2-5. En partie 2.6, on prsente les diffrents modles de dimensionnement des composants du systme, correspondant aux problmes p1 p3 sur la Figure 2-14. Enfin, en 2.7, on dcrit le problme d'optimisation de la Figure 2-14. Une mthode de dcomposition et de rsolution de problmes complexes dite Target Cascading a t utilise [T2][A2]. Le but est d'obtenir un systme de stockage la fois performant et conomique. La notion de la performance du systme de stockage est dveloppe en partie 2.3. Le calcul du cot du stockage est expliqu en partie 2.6.

2.2 Description du systme de stockage existant On cherche dimensionner de futurs systmes de stockage utilisant la technologie du prototype. Le

prototype de stockage est base de supercondensateurs. Par rapport aux autres moyens de s