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Projet CONCIGI_HT

Présentation

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Le projet CONvertisseur alternatif-continu Compact et à Isolement Galvanique Intégré Haute Tension (ANR-08-VTT-013 - Programme Véhicules pour Transports Terrestres) concerne la réalisation, pour la traction électrique ferroviaire, d’une architecture de conversion alternatif-continu haute tension compacte et à isolement galvanique intégré. L’objectif du projet est la réalisation préindustrielle d’un bloc élémentaire d’une architecture de conversion modulaire. Il s’agit d’arriver à une intégration de puissance la plus avancée possible en tenant compte de la contrainte d’isolation Haute Tension fixée pour un réseau 25 kV/50Hz à 80 kV. Pour une puissance d’environ 2 MW, correspondant à une automotrice bi-caisse, l’association de l’ensemble des modules intégrés doit apporter, par rapport à une solution standard incluant un transformateur 50 Hz et des redresseurs MLI, un gain significatif (au moins dans un rapport 2) en volume et en masse tout en ayant un rendement identique voire supérieur.

DÉMARCHE, MÉTHODOLOGIE

La structure complète qui va remplacer le transformateur basse fréquence sera composée de plusieurs étages. Actuellement on estime le nombre d’étages qui seront nécessaires entre 12 et 18 suivant les caractéristiques des interrupteurs qui seront disponibles sur le marché. Aujourd’hui, il s’agit de développer et de réaliser un étage complet de la nouvelle structure. Cet étage élémentaire doit être capable de commuter des courants de 120A sous des tensions de 3600V. Il se compose, entre autres, d’un commutateur de courant et d’un onduleur de tension. Ces deux convertisseurs statiques doivent mettre en œuvre des interrupteurs fonctionnant non plus en commutations dures comme jusqu’à présent, mais en commutations douces. Les interrupteurs du commutateur de courant fonctionneront en mode Thyristor (blocage sous courant nul) et ceux de l’onduleur de tension fonctionneront en mode Thyristor Dual (amorçage sous tension nulle). Les commutations douces permettent un gain significatif au niveau des pertes en commutation et par conséquent, elles permettent une augmentation de la fréquence de fonctionnement de l’ensemble. Grâce à l’augmentation de cette fréquence on vise une diminution du poids du transformateur en passant de 10 tonnes à 1 tonne.

Collaboration et diffusion

Type de projet

Le transformateur est l’élément le plus volumineux et le plus lourd de la chaîne de traction, c’est celui qui a connu le moins d’évolution. Trouver un dispositif capable de remplacer l’ensemble "transformateur basse fréquence + redresseur" est une idée qui ne date pas d’aujourd’hui. Pour mener à bien un tel projet, il faut mener de front les différentes problématiques en y intégrant des ruptures technologiques pour obtenir un gain maximal. Les principaux verrous technologiques sont : la disponibilité d’interrupteurs fort calibre, la solution d’isolation 60 kV pour ces interrupteurs, le refroidissement compatible avec ces isolations, le packaging.

Apport au Projet

Pour atteindre les objectifs fixés, l’une des problématiques étudiées est de développer un nouvel allumeur. Ce driver doit prendre en compte les conditions de courant ou de tension autour de chaque interrupteur pour n’autoriser son blocage (mode thyristor) ou son amorçage (mode thyristor dual) que si les conditions extérieures sont favorables (courant nul ou tension nulle). Par exemple, en mode thyristor dual nous devons mesurer la tension aux bornes de l’interrupteur (jusqu’à 3600V) pour en extraire une image qui sera ensuite traitée par l’électronique numérique du driver. Le support technique du département GEII est fortement impliqué dans la réalisation de cet allumeur.

Valorisation et applications

Les travaux de R & D s’orientent à la fois vers les nouveaux systèmes embarqués de propulsion électrique incluant le stockage et la récupération de l’énergie, appliqués au ferroviaire, à l’aéronautique, à l’automobile. L’ambition de ce projet industriel est de réduire drastiquement la masse et le volume de l’étage d’alimentation d’une locomotive ou d’un TGV. Les partenaires visent l’intégration de puissance la plus avancée possible. Le gain de volume permettra d’accueillir des passagers supplémentaires. Le gain de masse permettra la diminution de la charge à l’essieu ce qui entrainera une diminution de la consommation électrique. Nous entrons dans l’ère des trains avec un éco design.

Secteurs d’activités

Dans le secteur ferroviaire, la réduction de la masse et du volume de la chaîne de traction est une nécessité. ALSTOM, comme ses principaux concurrents du domaine (BOMBARDIER, SIEMENS) se sont tous penchés sur cette problématique. Ils ont développé des solutions différentes permettant des gains plus où moins importants. Les nouvelles générations de moteur (moteur à aimant permanent) permettent des puissances massiques importantes (de l’ordre de 1kW par kg) et donc des gains de masse intéressants. La partie électronique de puissance a, grâce aux nouveaux matériaux (packaging) et à des nouvelles méthodes de refroidissement (refroidissement double face), obtenu de fort gain en masse et volume.

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