Moteur de traction

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Un moteur de traction ZQDR-410 (l'objet avec de petits évents)

Un moteur de traction est un moteur électrique utilisé pour la propulsion d'un véhicule, tel que des locomotives , des véhicules électriques ou à hydrogène , des ascenseurs ou des automotrices électriques .

Les moteurs de traction sont utilisés dans les véhicules ferroviaires à propulsion électrique (unités multiples électriques ) et d'autres véhicules électriques, notamment les flotteurs de lait électriques , les ascenseurs , les montagnes russes , les convoyeurs et les trolleybus , ainsi que les véhicules équipés de systèmes de transmission électrique ( locomotives diesel-électriques , véhicules hybrides électriques ) et les véhicules électriques à batterie .

Types de moteurs et contrôle

Les moteurs à courant continu avec enroulements de champ en série sont les plus anciens types de moteurs de traction. Ceux-ci fournissent une caractéristique vitesse-couple utile pour la propulsion, fournissant un couple élevé à des vitesses inférieures pour l'accélération du véhicule, et un couple décroissant à mesure que la vitesse augmente. En agençant l'enroulement de champ avec plusieurs prises, la caractéristique de vitesse peut être variée, permettant un contrôle relativement fluide de l'accélération par l'opérateur. Une autre mesure de contrôle est fournie en utilisant des paires de moteurs sur un véhicule en contrôle série-parallèle; pour un fonctionnement lent ou de fortes charges, deux moteurs peuvent fonctionner en série sur l'alimentation en courant continu. Lorsqu'une vitesse plus élevée est souhaitée, ces moteurs peuvent fonctionner en parallèle, rendant une tension plus élevée disponible à chacun et permettant ainsi des vitesses plus élevées. Certaines parties d'un système ferroviaire peuvent utiliser des tensions différentes, avec des tensions plus élevées sur de longues distances entre les gares et une tension plus faible près des gares où seul un fonctionnement plus lent est nécessaire.

Une variante du système à courant continu est le moteur série AC, également connu sous le nom de moteur universel , qui est essentiellement le même appareil mais fonctionne sur courant alternatif . Étant donné que le courant d'induit et le courant de champ s'inversent en même temps, le comportement du moteur est similaire à celui lorsqu'il est alimenté en courant continu. Pour obtenir de meilleures conditions de fonctionnement, les chemins de fer à courant alternatif sont souvent alimentés en courant à une fréquence inférieure à l'alimentation commerciale utilisée pour l'éclairage général et l'alimentation; des centrales électriques à courant de traction spécial sont utilisées, ou des convertisseurs rotatifs sont utilisés pour convertir la puissance commerciale de 50 ou 60 Hz en 25 Hz ou 16+Fréquence 23  Hz utilisée pour les moteurs de traction à courant alternatif. Le système à courant alternatif permet une distribution efficace de la puissance sur toute la longueur d'une ligne de chemin de fer et permet également un contrôle de la vitesse avec un appareillage de commutation sur le véhicule.

Les moteurs à induction à courant alternatif et les moteurs synchrones sont simples et nécessitent peu d'entretien, mais sont difficiles à appliquer pour les moteurs de traction en raison de leur caractéristique de vitesse fixe. Un moteur à induction CA génère des quantités utiles de puissance uniquement sur une plage de vitesse étroite déterminée par sa construction et la fréquence de l'alimentation CA. L'avènement des semi- conducteurs de puissance a rendu possible l'installation d'un variateur de fréquence sur une locomotive ; cela permet une large gamme de vitesses, une transmission de courant alternatif et des moteurs à induction robustes sans pièces d'usure telles que des balais et des collecteurs. [1]

Applications de transport

Véhicules routiers

Traditionnellement, les véhicules routiers (voitures, bus et camions) utilisaient des moteurs diesel et à essence avec un système de transmission mécanique ou hydraulique. Dans la dernière partie du 20e siècle, des véhicules équipés de systèmes de transmission électrique (alimentés par des moteurs à combustion interne , des batteries ou des piles à combustible ) ont commencé à être développés - l'un des avantages de l'utilisation de machines électriques est que des types spécifiques peuvent régénérer l'énergie (c'est-à-dire agir comme un moteur régénérateur ). frein )—fournissant une décélération ainsi qu'une augmentation de l'efficacité globale en chargeant la batterie.

Chemins de fer

Locomotive Ge 6/6 I Krokodil des chemins de fer rhétiques suisses , avec un seul gros moteur de traction au-dessus de chaque bogie, avec entraînement par bielles.

Traditionnellement, il s'agissait de moteurs à courant continu à balais bobinés en série , fonctionnant généralement sur environ 600 volts. La disponibilité de semi-conducteurs de haute puissance ( thyristors et IGBT ) a désormais rendu pratique l'utilisation de moteurs à induction à courant alternatif beaucoup plus simples et plus fiables , appelés moteurs de traction asynchrones. Des moteurs à courant alternatif synchrones sont également parfois utilisés, comme dans le TGV français .

Montage de moteurs

Avant le milieu du XXe siècle, un seul gros moteur était souvent utilisé pour entraîner plusieurs roues motrices à travers des bielles très similaires à celles utilisées sur les locomotives à vapeur . Les exemples sont le Pennsylvania Railroad DD1 , FF1 et L5 et les différents crocodiles suisses . Il est désormais courant de prévoir un moteur de traction entraînant chaque essieu par l'intermédiaire d'un entraînement par engrenage.

Moteur de traction à courant continu suspendu par le nez pour une locomotive tchèque ČD classe 182

Habituellement, le moteur de traction est suspendu en trois points entre le châssis du bogie et l'essieu moteur ; c'est ce qu'on appelle un "moteur de traction suspendu par le nez". Le problème avec un tel agencement est qu'une partie du poids du moteur n'est pas suspendue , ce qui augmente les forces indésirables sur la piste. Dans le cas du célèbre Pennsylvania Railroad GG1 , deux moteurs montés sur châssis entraînaient chaque essieu via un entraînement à douille . Les locomotives électriques " Bi-Polar " construites par General Electric pour la Milwaukee Road avaient des moteurs à entraînement direct. L'arbre rotatif du moteur était également l'axe des roues. Dans le cas des motrices TGV françaises, un moteur monté sur le châssis de la motrice entraîne chaque essieu ; un entraînement "trépied" permet une petite flexibilité dans la chaîne cinématique permettant aux bogies des camions de pivoter. En montant le moteur de traction relativement lourd directement sur le châssis de la motrice, plutôt que sur le bogie, une meilleure dynamique est obtenue, permettant un meilleur fonctionnement à grande vitesse. [2]

Bobinages

Le moteur à courant continu a été le pilier des entraînements de traction électrique sur les locomotives électriques et diesel-électriques, les tramways / tramways et les plates-formes de forage diesel-électriques pendant de nombreuses années. Il se compose de deux parties, une armature rotative et des enroulements de champ fixes entourant l'armature rotative montée autour d'un arbre. Les enroulements à champ fixe sont constitués de bobines de fil étroitement enroulées à l'intérieur du boîtier du moteur. L'armature est un autre ensemble de bobines enroulées autour d'un arbre central et est connectée aux enroulements de champ par des "balais" qui sont des contacts à ressort pressant contre une extension de l'armature appelée le commutateur. Le commutateur collecte toutes les terminaisons des bobines d'induit et les distribue selon un schéma circulaire pour permettre la séquence correcte du flux de courant. Lorsque l'induit et les enroulements de champ sont connectés en série, l'ensemble du moteur est appelé "bobiné en série". Un moteur à courant continu bobiné en série a un champ de faible résistance et un circuit d'induit. Pour cette raison, lorsqu'une tension lui est appliquée, le courant est élevé en raison de la loi d' Ohm. L'avantage du courant élevé est que les champs magnétiques à l'intérieur du moteur sont puissants, produisant un couple élevé (force de rotation), il est donc idéal pour démarrer un train. L'inconvénient est que le courant circulant dans le moteur doit être limité, sinon l'alimentation pourrait être surchargée ou le moteur et son câblage pourraient être endommagés. Au mieux, le couple dépasserait l'adhérence et les roues motrices patineraient. Traditionnellement, des résistances étaient utilisées pour limiter le courant initial.

Contrôle de puissance

Lorsque le moteur à courant continu commence à tourner, l'interaction des champs magnétiques à l'intérieur l'amène à générer une tension interne. Cette force contre-électromotrice(CEMF) oppose la tension appliquée et le courant qui circule est régi par la différence entre les deux. Lorsque le moteur accélère, la tension générée en interne augmente, la force électromotrice résultante diminue, moins de courant traverse le moteur et le couple diminue. Le moteur arrête naturellement d'accélérer lorsque la traînée du train correspond au couple produit par les moteurs. Pour continuer à accélérer le train, les résistances en série sont éteintes pas à pas, chaque pas augmentant la tension effective et donc le courant et le couple un peu plus longtemps jusqu'à ce que le moteur rattrape son retard. Cela peut être entendu et ressenti dans les trains à courant continu plus anciens sous la forme d'une série de bruits secs sous le plancher, chacun accompagné d'une secousse d'accélération alors que le couple augmente soudainement en réponse à la nouvelle poussée de courant. Lorsqu'il n'y a plus de résistances dans le circuit, pleine tension de ligne est appliquée directement au moteur. La vitesse du train reste constante au point où le couple du moteur, régi par la tension effective, est égal à la traînée - parfois appelée vitesse d'équilibrage. Si le train commence à monter une pente, la vitesse diminue car la traînée est supérieure au couple et la réduction de la vitesse fait chuter le CEMF et donc la tension effective augmente - jusqu'à ce que le courant traversant le moteur produise suffisamment de couple pour correspondre à la nouvelle traînée . L'utilisation de la résistance série était un gaspillage car beaucoup d'énergie était perdue sous forme de chaleur. Pour réduire ces pertes, la vitesse diminue car la traînée est supérieure au couple et la réduction de la vitesse provoque la chute du CEMF et donc l'augmentation de la tension effective - jusqu'à ce que le courant traversant le moteur produise suffisamment de couple pour correspondre à la nouvelle traînée. L'utilisation de la résistance série était un gaspillage car beaucoup d'énergie était perdue sous forme de chaleur. Pour réduire ces pertes, la vitesse diminue car la traînée est supérieure au couple et la réduction de la vitesse provoque la chute du CEMF et donc l'augmentation de la tension effective - jusqu'à ce que le courant traversant le moteur produise suffisamment de couple pour correspondre à la nouvelle traînée. L'utilisation de la résistance série était un gaspillage car beaucoup d'énergie était perdue sous forme de chaleur. Pour réduire ces pertes,les locomotives et les trains électriques (avant l'avènement de l'électronique de puissance ) étaient normalement également équipés pour le contrôle série-parallèle .

Les locomotives qui fonctionnaient à partir de sources d'alimentation en courant alternatif (utilisant des moteurs universels comme moteurs de traction) pouvaient également tirer parti des changeurs de prises sur leurs transformateurs pour faire varier la tension appliquée aux moteurs de traction sans les pertes inhérentes aux résistances. La classe GG1 de Pennsylvania Railroad était un exemple d'une telle locomotive.

Freinage dynamique

Si le train commence à descendre une pente, la vitesse augmente car la traînée (réduite) est inférieure au couple. Avec l'augmentation de la vitesse, la tension contre-EMF générée en interne augmente, réduisant le couple jusqu'à ce que le couple équilibre à nouveau la traînée. Étant donné que le courant de champ est réduit par la force contre-électromotrice dans un moteur bobiné en série, il n'y a pas de vitesse à laquelle la force contre-électromotrice dépasse la tension d'alimentation, et par conséquent, un seul moteur de traction à courant continu bobiné en série ne peut pas fournir à lui seul un freinage dynamique ou régénératif.

Il existe cependant divers schémas appliqués pour fournir une force de ralentissement à l'aide des moteurs de traction. L'énergie générée peut être réinjectée dans le réseau (freinage régénératif) ou dissipée par des résistances embarquées (freinage dynamique). Un tel système peut amener la charge à une faible vitesse, nécessitant relativement peu de freinage par friction pour amener la charge à un arrêt complet.

Accélération automatique

Sur un train électrique, le conducteur du train devait à l'origine contrôler manuellement la coupure de la résistance, mais en 1914, l'accélération automatique était utilisée. Ceci a été réalisé par un relais d'accélération (souvent appelé «relais d'encoche») dans le circuit du moteur qui surveillait la chute de courant à mesure que chaque étape de résistance était coupée. Tout ce que le conducteur avait à faire était de sélectionner une vitesse basse, moyenne ou pleine (appelée "série", "parallèle" et "shunt" de la façon dont les moteurs étaient connectés dans le circuit de résistance) et l'équipement automatique ferait le reste.

Classement

Les locomotives électriques ont généralement une cote continue et une cote d'une heure . La puissance horaire est la puissance maximale que les moteurs peuvent développer en continu sur une période d'une heure sans échauffement. Un tel test commence avec les moteurs à +25 °C (et l'air extérieur utilisé pour la ventilation également à +25 °C). En URSS, selon GOST 2582-72 avec une isolation de classe N, les températures maximales autorisées pour les moteurs à courant continu étaient de 160 °C pour l'induit, 180 °C pour le stator et 105 °C pour le collecteur. [3] La cote d'une heure est généralement supérieure d'environ dix pour cent à la cote continue et limitée par l'augmentation de température dans le moteur.

Comme les moteurs de traction utilisent une configuration de réducteur pour transférer le couple de l'induit du moteur à l'essieu moteur, la charge réelle placée sur le moteur varie en fonction du rapport de démultiplication. Sinon, les moteurs de traction "identiques" peuvent avoir une charge nominale très différente. Un moteur de traction conçu pour le fret avec un faible rapport de démultiplication produira en toute sécurité un couple plus élevé aux roues pendant une période plus longue au même niveau de courant car les vitesses inférieures donnent au moteur un avantage mécanique plus important.

Dans les locomotives diesel-électriques et à turbine à gaz , la puissance nominale des moteurs de traction est généralement d'environ 81 % de celle du moteur principal . Cela suppose que le générateur électrique convertit 90 % de la puissance du moteur en énergie électrique et que les moteurs de traction reconvertissent 90 % de cette énergie électrique en énergie mécanique. [ citation nécessaire ] Calcul : 0,9 × 0,9 = 0,81

Les puissances nominales des moteurs de traction individuels vont généralement jusqu'à 1 600 kW (2 100 ch).

Un autre facteur important lors de la conception ou de la spécification des moteurs de traction est la vitesse de fonctionnement. L'induit du moteur a une vitesse de rotation maximale de sécurité à ou en dessous de laquelle les enroulements resteront en place en toute sécurité.

Au-dessus de cette vitesse maximale, la force centrifuge sur l'induit provoquera la projection des enroulements vers l'extérieur. Dans les cas graves, cela peut conduire à une "nidification d'oiseaux" lorsque les enroulements entrent en contact avec le carter du moteur et finissent par se détacher complètement de l'armature et se déroulent.

La nidification des oiseaux (l'éjection centrifuge des enroulements de l'armature) due à une survitesse peut se produire soit dans le fonctionnement des moteurs de traction des locomotives motorisées, soit dans les moteurs de traction des locomotives mortes en consistance transportées dans un train voyageant trop vite. Une autre cause est le remplacement des moteurs de traction usés ou endommagés par des unités mal adaptées à l'application.

Les dommages causés par la surcharge et la surchauffe peuvent également provoquer la nidification des oiseaux en dessous des vitesses nominales lorsque l'assemblage de l'armature et les supports et dispositifs de retenue des enroulements ont été endommagés par l'abus précédent.

Refroidissement

En raison des niveaux de puissance élevés impliqués, les moteurs de traction sont presque toujours refroidis à l'aide d'air forcé, d'eau ou d'un liquide diélectrique spécial.

Les systèmes de refroidissement typiques des locomotives diesel-électriques américaines consistent en un ventilateur électrique soufflant de l'air dans un passage intégré au châssis de la locomotive. Des conduits de refroidissement en caoutchouc relient le passage aux moteurs de traction individuels et l'air de refroidissement se déplace vers le bas et à travers les armatures avant d'être évacué dans l'atmosphère.

Fabricants

Voir aussi

Références

  1. ^ Traction électrique Andreas Steimel - Puissance motrice et alimentation en énergie: bases et expérience pratique Oldenbourg Industrieverlag, 2008 ISBN  3835631322  ; Chapitre 6 "Moteurs de traction à induction et leur commande"
  2. ^ "TGVweb - "Sous le capot" d'un TGV" . www.trainweb.org . Récupéré le 12/12/2017 .
  3. ^ Сидоров 1980, p.47

Bibliographie

  • Chemins de fer britanniques (1962). "Section 13 : Commande de traction". Manuel de traction diesel pour les mécaniciens (1ère éd.). Commission britannique des transports. p. 172–189.
  • Bolton, William F. (1963). Le manuel diesel du cheminot (4e éd.). pp. 107–111, 184–190.

Liens externes