ATELIERS DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES
DE CHARLEROI(ACEC)
Il existe déjà des véhicules de traction électrique équipés d'un ensemble moteur à courant continu et d'un volant emmagasinant de l'énergie mécanique restituée aux moteurs à courant continu par l'intermédiaire d'une machine synchrone dont le rotor supporte le volant et dont l'enroulement statorique est relié' via un convertisseur et une self de lissage à l'ensemble moteur. Le convertisseur comprend des valves électroniques à électrodes de commande; il opère soit dans un mode onduleur en étant commandé par la machine synchrone pour l'emmagasinage dans le volant d'énergie produite dans l'ensemble moteur, soit dans un mode redresseur à commande naturelle pour la restitution de l' énergie à l'ensemble moteur. Ces véhicules connus doivent être rechargés périodiquement en énergie à l'endroit de stations d'alimentation.
Ils possèdent de ce fait une autonomie très grande, mais leur rayon d'action est limité.
La présente invention a pour but d'utiliser l'emmagasinage d'énergie mécanique dans un volant pour des véhicules de traction à alimentation par caténaire ou par un troisième rail au moyen d'un pantographe ou un trolley lorsque ces véhicules sont soumis à un régime à freinages et accélérations fréquentes et/ou sont utilisés sur des tronçons ou voies à profile accidenté. L'invention concerne notamment l'utilisation rationnelle et optimale des sources d'énergie disponibles sur le véhicule: les bornes d'alimentation reliés
à un trolley ou à un pantographe et le volant tournant à grande vitesse.
Suivant l'invention, un appareil de commande pour des véhicules équipés d'un ensemble moteur à courant continu et d'un volant supporté par le rotor d'une machine synchrone, l'enroulement statorique de cette machine synchrone étant relié via un convertisseur et une self de lissage à l'ensemble moteur à courant continu est caractérisé en ce qu'il comprend des commutateurs pour l'établissement de liaisons électriques soit avec la source d'énergie constituée par le volant, soit avec la source d'énergie constituée par le trolley ou le pantographe ainsi qu'un dispositif de commande équipé de mémoires et d'appareils détecteurs actionnant les dits commutateurs.
L'invention est expliquée ci-dessous par rapport à un exemple d'une forme d'exécution en se référant au dessin annexé. La figure 1 de ce dessin est un schéma électrique d'un appareil suivant l'invention; la figure 2 est un diagramme vitesse-courant d'un ensemble moteur d'un appareil suivant l'invention.
A la figure 1 est représentée la partie essentielle d'un schéma électrique d'un véhciule de traction électrique. Le véhicule est relié à une alimentation par caténaire ou par un troisième rail au moyen d'un pantographe
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dont une se trouve au potentiel de la terre et l'autre au potentiel de la caténaire ou du troisième rail.
L'équipement électrique comprend un ensemble moteur, représenté par
un moteur à courant continu 2 mais qui en fait peut être composé de plusieurs scieurs à courant continu reliés en parallèle ou en série ou partiellement en parallèle et partiellement en série. Le moteur 2 est représenté avec une excitation indépendante 3. Il est possible aussi d'utiliser un moteur avec excitation série à condition de rendre possible une préexcitation au moyen d'un aménagement auxiliaire. Parallèlement à cet ensemble moteur est disposé un convertisseur 4 à seniconaucteurs à électrodes de commande, en série avec une self de lissage 5 et, facultativement, avec une diode 6. Le convertisseur
4 est relié aux enroulements statoriques d'une machine synchrone 7 avec son excitation 8 dont le rotor supporte et entraîne, sans réducteur de vitesse,
un accumulateur d'énergie mécanique, notamment un volant 9 qui peut tourner dans une enceinte sous vide ou sous pression réduite d'un gaz approprié comme cela est en soi connu. Les enroulements statoriques de la machine
synchrone sont d'autre part reliés à un redresseur 10 dont la valeur de la
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qui alimente les dispositifs auxiliaires à courant continu et une batterie,
non représentés. En lieu et place du redresseur 10 et du hacheur 11, il est possible de prévoir aussi un pont redresseur à thyristors non représenté,
à condition que le hacheur ne soit pas utilisé pour d'autres fonctions comme expliqué ci-dessous. La machine synchrone peut être une machine synchrone, monophasée ou triphasée,classique comme montrée dans le schéma suivant la figure 1, mais elle peut être aussi une machine synchrone homopolaire ou hétéropolaire. Elle est associée à des ponts convertisseurs correspondants. A la sortie
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carrées, non représenté, notamment pour alimenter par exemple l'ensemble des lampes. Mais cette alimentation des lampes peut aussi être réalisée au moyen d'onduleurs de faible puissance, individuels pour chaque lampe. Plusieurs contacteurs ou commutateurs 12, 13 et 14 sont prévus pour permettre une commande aisée des différents modes de fonctionnement. Le contacteur 12 permet de connecter ou déconnecter l'alimentation par caténaire ou par trolley. Le contacteur 13 permet de mettre hors circuit l'ensemble moteur. Le commutateur
14 permet de commuter sur un régime de démarrage du volant.
Lorsque le contacteur 12 est ouvert, la tension aux bornes de l'ensemble moteur peut être différent de celle aux bornes 1,1 et peut notamment être plus basse. On accélère alors l'ensemble moteur par l'énergie du volant en faisant fonctionner le convertisseur 4 �omme redresseur à commutation naturelle et
en réglant simultanément le courant d'excitation dans l'enroulement 8 de la machine synchrone 7 de manière à adapter la tension qu'elle délivre à celle désirée aux bornes de l'ensemble moteur de traction. En augmentant progressivement cette tension à l'aide d'une variation du courant dans l' enroulement 8, il est aisé d'obtenir une tension aux bornes de l'ensemble moteur égale à la tension de la caténaire qui apparaît aux bornes 1,1. Sur le diagramme vitesse-intensité de courant de la figure 2 cette phase correspond à un déplacement du point A vers le point B (intersection avec la caractéristique "champ maximum"). A partir de ce moment le contacteur 12 peut être fermé sans danger. Toutefois, par la fermeture du contacteur 12, le courant de la caténaire remplace l'alimentation de l'ensemble moteur à
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à soutirer l'énergie du volant et d'attendre avant d'enclencher le contacteur 12. En maintenant la tension constante et en réglant le courant à une valeur constante soit à l'aide de l'excitation (réglage grossier) soit à l'aide d'un réglage des angles d'allumage dans le convertisseur 4 qui fonctionne en redresseur, on se déplace alors du point B sur la caractéristique "champ maximum" au point C sur une caractéristique choisie de champ réduit d'une quantité relative déterminée sur le diagramme de la figure 2, en désexcitant l'ensemble moteur. Arrivé en C,on évolue le long de la caractéristique naturelle de l'ensemble moteur où, par exemple au point D, on enclenche le contacteur 12. On diminue alors progressivement le courant du convertisseur en agissant sur la phase de l'angle d'allumage des dispositifs
à valve électroniques du convertisseur 4.
Les moments d'enclenchement des contacteurs 12, 13 et 14 ainsi que de l'alimentation des enroulements d'excitation 3 et 8 peuvent être déterminés par un calculateur 16, installé à bord du véhicule, en fonction de la vitesse du véhicule, de son poids, du profile du trajet jusqu'à la prochaine station etc. Ce calculateur 16 est équipé d'une mémoire emmagasinant les données relatives aux profiles des différents tronçons où le véhicule peut circuler et de dispositifs détecteurs, non représentés, pour les grandeurs variables et la reconnaissance du tronçon parcouru. Le calculateur 16 coopère avec un appareil de mesure 17 de la vitesse du volant et un comparateur
18 entre une vitesse minimum calculée du volant et la vitesse mesurée.
Le comparateur 18 fournit le signal de commutation pour le commutateurl2 et commande en même temps l'annulation du courant dans le redresseur en agissant progressivement sur un dispositif de commande des angles d'allumage 19 du commutateur 4. A partir de ce moment, le courant de la caténaire alimente l'ensemble moteur de traction. Sur le diagramme figure 2, le système continue à évoluer sur la caractéristique à champ réduit et peut ainsi arriver par exemple, au point E au moment où on décide de freiner. A cet instant, on ouvre le contacteur 12 et on inverse i'excitation de l'ensemble moteur. Le dispositif de commande d'allumage 19 est commuté pour faire fonctionner le convertisseur 4 dans le mode onduleur.
La tension aux bornes de l'ensemble moteur de traction peut être très élevée au début et on envisage de récupérer l'énergie de freinage jusqu'à ce que cette tension arrive à une valeur voisine de la tension nominale de l'ensemble moteur. Si la tension en début de freinage est trop élevée, il est possible d'interposer entre l'ensemble moteur et le convertisseur un transformateur, de préférence un auto-transformateur,non représenté.
Pendant les phases de traction lorsque le volant fournit l'énergie
(contacteur 12 ouvert), le convertisseur 4 est commandé généralement dans
le mode redresseur à commutation naturelle, à fréquence variable. En phase de freinage, il est commandé en onduleur à commutation par la machine syncrone,à fréquence variable. La tension aux bornes de l'ensemble moteur détermine alors les cadences des commutations. Pour travailler avec cos� avantageux, on choisit un angle d'empiétement très petit, mais suffisant pour permettre que la commutation puisse s'achever complètement. Pour limiter la durée de la commutation à une valeur acceptable, il faut veiller à avoir une self de commutation de l'ordre de 10% de l'impédance fondamentale. Dans le cas de l'interposition d'un transformateur entre l'ensemble moteur et
le convertisseur, cette exigence conduit à utiliser des condensateurs réduisant la self de commutation.
La description ci-dessus concernait les modes de fonctionnement dans lesquels le volant tourne au dessu d'une vitesse minimum. Si tel n'est pas le cas, par exemple lors de la mise en service après un repos de longue durée 1le groupe volant-machine synchrone doit être démarré. Pour ce faire on actionne le commutateur 14 et on ouvre le contacteur 13. De ce fait, l'ensemble moteur de traction se trouve hors circuit et le convertisseur 4 est alimenté via un hacheur auxiliaire qui peut être, en l'occurrence, le ha-
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qui en est une combinaison les circuits auxiliaires à courant continu.
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atteint sa tension nominale. A ce moment il est possible, en prenant certaines précautions pour éviter le décrochage,de connecter sur les prises 1,1 du pantographe ou du trolley. Cependant il est souvent plus facile de continuer l'alimentation par le hacheur jusqu'à ce que le volant aie atteint sa vitesse maximum et de commuter seulement à ce moment là le contacteur 14 pour que le hacheur reprenne sa fonction normale d'alimentation des auxiliaires.
Au moment àù l'on passe en régime freinage, le contacteur 12s'ouvre, mais préalablement on peut réduire le courant du réseau en commutant via un rhéostat variable, non représenté.
REVENDICATIONS
1. Appareil de commande pour véhicules équipés d'un ensemble,moteur de traction à courant continu et d'un volant emmagasinant de l'énergie mécanique restituée aux moteurs de traction par l'intermédiaire d'une machine synchrone supportant le volant et dont l'enroulement statorique est relié via un convertisseuret une self de lissage à l'ensemble de traction, le dit convertisseur comprenant des valves à électrode de commande et opérant dans le mode onduleur pour l'emmagasinage d'énergie dans le volant et dans le mode redresseur pour la restitution d'énergie aux moteurs de traction, caractérisé en ce
quil comprend des commutateurs pour l'établissement de liaisons électriques soit avec la source d'énergie constituée par le volant soit avec la source d'énergie constituée par le trolley ou le pantographe, ainsi qu'un dispositif de commande équipé de mémoireset d'appareils détecteurs actionnant les dits commutateurs.
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