Trains / Traction
La large bande passante alimente les trains et les systèmes de traction
Les locomotives de train peuvent être alimentées par un moteur diesel à combustion interne, par de la vapeur ou par l'énergie électrique. Dans cet article, nous aborderons les avantages de l'énergie électrique. Les trains électriques sont capables de tirer une rangée de wagons d'un kilomètre de long grâce à un moteur de traction électrique à couple élevé.
L'énergie électrique fonctionne en commutant la fréquence et la tension du courant électrique par la manipulation des champs magnétiques. Les systèmes de traction électrique sont classés en DC ou AC, selon le type de moteur utilisé, et tous deux ont un couple de démarrage très élevé.
Tension continue ou tension alternative pour les moteurs
Les tensions de ligne courantes en courant continu (CC) pour les systèmes d'alimentation par fil aérien se situent à des niveaux de 1 500 et 3 000 V. Les systèmes de troisième voie sont principalement dans la gamme 600-750 V. Les systèmes de troisième rail se situent principalement dans la gamme des 600-750V. Les avantages du courant continu sont l'encombrement et le poids, l'accélération et le freinage rapides des moteurs électriques à courant continu, le coût moindre par rapport aux systèmes à courant alternatif et la consommation d'énergie plus faible. Les inconvénients de l'utilisation du courant continu sont les suivants : des sous-stations coûteuses sont nécessaires à des intervalles assez rapprochés et le câble aérien ou le troisième rail est grand et lourd. Voir la figure 1.
Figure 1 : Système d'alimentation en courant continu pour la traction ferroviaire (Image de GaN Systems)
Les systèmes de troisième rail présentent un risque d'électrocution, avec des courants de système plus élevés que les tensions des lignes à courant alternatif (les rails à courant continu sont supérieurs à 1500 v), et ne sont pas considérés comme sûrs. Des courants très élevés sont donc utilisés, entraînant une perte de puissance considérable dans le système, ce qui nécessite des points d'alimentation (sous-stations) relativement proches les uns des autres.
Le courant alternatif (CA) peut avoir des tensions aériennes élevées (10 000 volts ou plus), mais il présente l'avantage de nécessiter moins de sous-stations en raison des courants plus faibles, ce qui réduit la chute de tension le long du réseau de distribution d'électricité entre les sous-stations. Il est possible d'utiliser des câbles aériens d'alimentation en courant plus légers, ce qui réduit le poids des structures nécessaires pour les supporter. Par conséquent, l'électrification peut réduire les dépenses d'investissement. Voir la figure 2.
Figure 2 : Système d'alimentation en courant alternatif pour la traction ferroviaire. Une unité multiple électrique (UME) est un train à unités multiples propulsé par l'électricité.
La traction à courant alternatif pour les locomotives représente une grande amélioration par rapport aux anciens systèmes à courant continu. Les principaux avantages de la traction à courant alternatif sont des niveaux d'adhérence jusqu'à 100 % supérieurs à ceux de la traction à courant continu, une plus grande fiabilité et une réduction des besoins de maintenance des moteurs de traction à courant alternatif. Découvrez ici pourquoi les niveaux d'adhérence en courant alternatif sont supérieurs aux niveaux d'adhérence en courant continu.
Les moteurs à courant alternatif (CA) et à courant continu (CC) sont tous deux utilisés aujourd'hui, en fonction du système ferroviaire. Les systèmes de traction à courant alternatif sont devenus très populaires sur les rails à l'heure actuelle. Le courant alternatif est plus souvent utilisé dans la plupart des systèmes de traction en raison de plusieurs avantages, tels que la disponibilité rapide et la génération de courant alternatif qui peut être facilement augmenté ou diminué, la facilité de contrôle des moteurs à courant alternatif, le nombre réduit de sous-stations nécessaires et la présence de caténaires légères qui transfèrent des courants faibles à des tensions élevées. La figure 3 présente des données sur le nombre exact de systèmes de traction à courant alternatif et à courant continu sur les rails.
Fin 2018, 493 villes dans 72 pays et régions avaient ouvert des transports ferroviaires urbains, pour un kilométrage total de plus de 26 100 km1. Ce chiffre a doublé par rapport à 2014 et continuera d'augmenter en 2020 et au-delà.
Reportlinker.com a annoncé que le marché mondial des moteurs de traction ferroviaire devrait croître de 1,66 milliard de dollars au cours de la période 2020-2024, avec un taux de croissance annuel composé de 3 % au cours de la période de prévision. Market Watch a rapporté que le marché mondial des moteurs de traction électrique devrait atteindre 31,5 milliards de dollars d'ici 2026.
Figure 3 : Répartition des systèmes de traction à courant alternatif et à courant continu dans le monde (image tirée de la référence 5)
Systèmes de traction pour véhicules électriques à FET SiC et GaN comparés aux systèmes de traction à base de Si-IGBT4
Le redresseur du système de traction ferroviaire convertit généralement le courant alternatif 480V, 60Hz en courant continu d'environ 650VDC.
Les vitesses de commutation plus rapides des composants de puissance SiC permettent aux concepteurs de créer des systèmes d'alimentation des wagons qui sont jusqu'à 50 % plus petits et 30 % plus légers que les systèmes existants utilisant d'autres transistors de puissance tels que les IGBT Si. Cela permet de réduire le poids de l'ensemble du système de moteur de 15 %, principalement grâce à des magnétiques plus petits avec des fréquences plus élevées en SiC. La tension et l'intensité maximales des dispositifs SiC sont nettement plus élevées que la capacité théorique du Si. Le SiC présente également des marges de défaillance plus importantes.
Les trains plus légers ne sont pas seulement plus efficaces, ils peuvent aussi être plus sûrs, car leur poids réduit leur permet de s'arrêter plus rapidement. En prime, lorsque des dispositifs SiC et/ou GaN sont également conçus dans les alimentations auxiliaires du système pour les dispositifs de confort des passagers, tels que la climatisation, le Wi-Fi, ainsi que l'éclairage intérieur, ces systèmes consomment également beaucoup moins d'énergie.
Les vitesses opérationnelles plus élevées du SiC et du GaN permettent aux concepteurs de créer des systèmes d'alimentation des wagons qui sont jusqu'à 50 % plus petits et 30 % plus légers que les systèmes existants, ce qui permet de réduire le poids de l'ensemble du système de moteur de 15 %. Les trains plus légers ne sont pas seulement plus efficaces, ils peuvent aussi être plus sûrs, car un poids plus faible signifie qu'ils peuvent s'arrêter plus rapidement.
Les dispositifs GaN présentent les avantages d'une faible figure de mérite (FOM) (la définition de la FOM étant "résistance à l'enclenchement x charge de grille") et de charges de récupération inversées nulles (Qrr). Les transistors GaN sont bien meilleurs que les transistors Si car leur fréquence de commutation, leur conception magnétique et leurs pertes de commutation seront considérablement réduites dans le système.
Les MOSFET au silicium ont une charge de récupération inverse typique comprise entre 50 et 60 nC, en fonction de leur taille et de leurs caractéristiques. Lorsque le MOSFET s'éteint, le Qrr dans la diode de corps produit des pertes qui s'ajoutent aux pertes de commutation totales du système. Ces pertes augmentent proportionnellement à la fréquence de commutation et rendent les MOSFET peu pratiques pour une utilisation à des fréquences plus élevées dans de nombreuses applications telles que les systèmes de convertisseurs de traction.
Systèmes de conversion de la traction
Il existe de nombreux types de systèmes de conversion d'énergie pour la traction à courant alternatif et à courant continu. En voici quelques-uns :
Trains à grande vitesse Shinkansen2
Le système de conversion des trains Shinkansen se compose d'un convertisseur MLI et d'un onduleur MLI, comme le montre la figure 4.
Le concept clé de ce système de traction de train à grande vitesse était la combinaison de dispositifs de puissance SiC appliqués au système de conversion de la traction. L'ajout d'un système de refroidissement du train et de moteurs à induction à 6 pôles a contribué à la réduction du poids, à la compacité et à l'amélioration de la fiabilité. Les essais de fonctionnement du prototype du système de traction développé ont été réalisés et ont confirmé ses bonnes performances. Cette application de traction au SiC est une première pour les trains à grande vitesse.
Figure 2 : Un chargeur embarqué conventionnel pour VE (image tirée de la référence 1))
Tableau 1 : Amélioration du système de traction du Tokaido Shinkansen (image tirée de la référence 2)
Exemples de convertisseurs de traction3
Les IGBT au silicium ont été largement utilisés dans les convertisseurs de traction ferroviaire jusqu'à l'arrivée des transistors de puissance SiC. Les dispositifs de puissance SiC offrent des tensions de blocage plus élevées, des vitesses de commutation plus importantes et des températures de fonctionnement plus élevées que les IGBT au silicium.
L'architecture d'un convertisseur de traction standard de base est illustrée à la figure 5, à droite.
Le SiC est mieux adapté aux applications de traction ferroviaire, pour la plupart, que le GaN, en raison des tensions nominales plus élevées des dispositifs, qui s'alignent sur les tensions courantes des lignes de courant continu pour les systèmes d'alimentation par fil aérien de 1 500 V et 3 000 V et les systèmes de courant continu du troisième rail, principalement dans la gamme 600 V-750 V CC ; les systèmes ferroviaires à courant alternatif peuvent avoir des tensions de fil aérien élevées (10 000 volts ou plus).
Wolfspeed propose le CAS300M17BM2, un SiC 1700V de 8,0 mΩ dans un emballage standard de 62 mm. Ce module peut être connecté en parallèle et en série pour s'adapter aux exigences de tension et de courant du pilote dans les applications d'inverseur de traction. Voir la figure 6, à droite.
Des modules à plus haute tension (3,3 kV, 6,5 kV et 10 kV) sont également en cours de développement, mais ne sont pas encore disponibles sur le marché. La mise en œuvre de ces modules à plus haute tension est attendue dès qu'ils seront disponibles.
Les circuits intégrés de puissance GaN peuvent également être utilisés dans certains cas de traction ferroviaire à des tensions plus faibles allant jusqu'à 800V4 ou s'ils sont correctement empilés pour gérer ces tensions plus élevées.
Figure 5 : Conception d'un convertisseur de traction ferroviaire de base
(Image tirée de la référence 3)
Figure 6 : Module CAS300M17BM2 de Wolfspeed
Conclusion
Les moteurs de traction électriques à courant alternatif et à courant continu à couple élevé sont au cœur des systèmes de traction des trains. Pour alimenter ces moteurs, des transistors de puissance à haute vitesse et à haute tension, dans le cadre d'une conception de redresseur exigeante, sont la clé d'une performance optimale des trains puissants qui transportent de lourdes cargaisons vers leurs destinations et font tourner les économies.
Les semi-conducteurs WBG tels que SiC, GaN, ainsi que les HVIGBT sont les moteurs des systèmes de traction. Le SiC et le GaN sont généralement utilisés dans ces architectures de puissance, le SiC pouvant être le premier choix des concepteurs en raison des tensions plus élevées des lignes aériennes de courant continu et des besoins en courant continu du troisième rail dans un système de traction ferroviaire. Le SiC gère les niveaux de tension plus élevés et le GaN les niveaux inférieurs des besoins en haute tension. La tension et l'intensité maximales des dispositifs SiC sont nettement plus élevées que la capacité théorique du Si. Les circuits intégrés de puissance WBG permettent d'obtenir des systèmes plus petits et plus légers grâce à leur vitesse élevée et à leurs niveaux de performance en matière de haute tension. Les HVIGBT s'intègrent là où il est plus difficile de trouver dans le commerce des valeurs nominales supérieures à 1 700 V pour le SiC.
Références
- UITP, "World metro figures - Statistics brief", Singapour, Rep. 2018
- Development of SiC Applied Traction System for Shinkansen High-speed Train, Kenji Sato1, Hirokazu Kato, and Takafumi Fukushima, The 2018 International Power Electronics Conference, IEEE 2018
- Outlook for SiC devices in Traction Converters, P. Ladoux, M. Mermet, J. Casarin, J. Fabre, ALSTOM Transport - Innovation and Research -Traction Components Engineering, IEEE 2012.
- Le GaN permet d'obtenir des onduleurs de traction EV de 800 V efficaces et rentables
- Reliability Analysis of DC Traction Power Supply System for Electric Railway, Hitoshi Hayashiya, Masayoshi Masuda, Yukihisa Noda, Koichiro Suzuki, Takashi Suzuki, Tokyo Branch Office, East Japan Railway Company, EPE'17 ECCE Europe, 2017
