LA TRACTION ELECTRIQUE

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1 LA TRACTION ELECTRIQUE
Quitter Auteurs LA TRACTION ELECTRIQUE Informations préalables aux activités sur Ferelec Préambule historique Généralités sur la traction ferroviaire La locomotive BB Analyse fonctionnelle Bibliographie - Internet Guide de navigation  SNCF-CAV- J.J. D’ANGELO

2  SNCF-CAV-FABBRO et LEVEQUE
Guide de navigation Un clic souris sur : Sélection fonction Permet de sélectionner une fonction dans une liste proposée. Retour menu Permet de revenir au menu du niveau strictement supérieur . Diapositive suivante Permet d’accéder à la diapositive suivante dans la logique de l’arborescence du diaporama. Diapositive précédente Permet d’accéder à la diapositive précédente dans la logique de l’arborescence du diaporama. Quitter Permet de quitter le diaporama. Texte souligné bleu : indique un lien hypertexte .  SNCF-CAV-FABBRO et LEVEQUE

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Le train, d’hier à demain… Le système de guidage par rail est connu depuis le 17ème siècle, mais la première locomotive a été construite en 1804 en Angleterre. Les premières locomotives à vapeur seront peu à peu remplacées par les locomotives à traction diesel, diesel-électrique, turbine-électrique et électrique. Vapeur Diesel-électrique Electrique Parmi les moyens de transport par rail on trouve aussi les monorails . L’avenir permettra peut être de voyager « en suspension » grâce à des trains à sustentation magnétique comme le Maglev. Aujourd’hui, le TGV permet de voyager à 270 km/h en vitesse commerciale. Monorail Maglev TGV Atlantique  SNCF-CAV-FABBRO et LEVEQUE

4 LA TRACTION ELECTRIQUE  SNCF-CAV-FABBRO et LEVEQUE
Structure d’une locomotive à traction électrique Infrastructure des lignes TGV : les trains à grande vitesse de la SNCF  SNCF-CAV-FABBRO et LEVEQUE

5 Infrastructure des lignes
Evolution de l’électrification en France : La traction électrique apparaît en France au début du 20ème siècle, avec la mise en service en 1900 des lignes Orsay-Austerlitz et Invalides-Moulineaux. Ces lignes sont alimentées par une tension continue de 600V, à partir d’un troisième rail. D’autres types d’électrification sont ensuite mis en place : différentes alimentations en continu (600V, 750V), puis, grâce à l’évolution de la technologie, 1,5kV continu et 25kV 50Hz monophasé (fréquence industrielle). Le contact pantographe déployé / caténaire permet l’alimentation en énergie du convoi.

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Rayon des courbes Principes de construction des voies de chemin de fer Profil de voie 1000m 35m La SNCF admet par exemple des déclivités de 35 pour 1 000 (3,5 %) pour certaines lignes de transport de voyageurs à très grande vitesse. Le franchissement des courbes contraint à limiter la vitesse des trains : pour circuler à 200 km/h, le rayon des courbes minimum est de 1 700 mètres. Pour rouler à 270 km/h, le rayon des courbes doit être de l’ordre de 4 000 mètres. d = 35/1000 = 3,5%  SNCF-CAV-Eric BERNARD Rayon

7 Ballast (empilement de  SNCF-CAV-FABBRO et LEVEQUE
Structure des voies Un rail moderne doit pouvoir supporter un trafic de 1 milliard de tonnes avant d’être retiré du service. Les traverses en béton, plus lourdes que les traverses en bois, confèrent une plus grande stabilité à la voie et leur durée de vie est supérieure. Rails Ballast (empilement de cailloux) Traverse (bois ou béton) Le rail traditionnel était constitué de barres successives séparées par des intervalles ou joints de dilatation, à l’origine du bruit caractéristique des trains. Aujourd’hui, les voies sont faites de « barres longues ». Les contraintes mécaniques dues aux variations de température sont équilibrées par les réactions des traverses et du ballast. Le confort de roulement est nettement amélioré. Le rail adopté dans tous les pays est le rail type Vignole qui comporte : un patin pour l’appui sur les traverses, un champignon pour le roulement et une âme entre patin et champignon.  SNCF-CAV-FABBRO et LEVEQUE

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Entretien et exploitation des lignes Poste d’aiguillage à leviers L’automatisation des installations de sécurité répond à la triple nécessité d’améliorer le débit des lignes, de renforcer la sécurité et de faciliter le travail du personnel des gares. Poste de commande automatique L’informatique intervient de plus en plus dans la sécurité et la régulation du trafic. Les anciens postes d’aiguillage à leviers, à faible rayon d’action, sont regroupés en postes de commande automatique des itinéraires, capables de tracer simultanément les itinéraires de plusieurs trains. Sur les voies, la signalisation manuelle fait place aux blocs automatiques et aux transmissions voie-machine.  SNCF-CAV-FABBRO et LEVEQUE

9 33 163 km de lignes, dont 32 105 km en service :
MODES DE TRACTION TRACTION ELECTRIQUE TRACTION DIESEL En service Lignes classiques: Continu 1500 V En cours (principales lignes) Monophasé 25 kV En projet ________________ Autres tensions Lignes nouvelles: km de lignes, dont km en service : • Lignes principales: km - Lignes à Grande Vitesse (LGV): km - Lignes à deux voies et plus: km Lignes à voie unique (voie normale): km - Lignes à voie unique (voie étroite): km - Lignes électrifiées km . en Volts continu: km . en Volts alternatif: km . par troisième rail et autres: 122 km Situation au 31/12/99

10 La caténaire La caténaire permet d’alimenter la motrice en énergie, depuis les sous-stations. Le câble supérieur, appelé «  porteur », aide à maintenir la caténaire. Le « retour » du courant se fait par les rails. Support 1500V poutrelle H Support 25kV Support en ogive (viaduc de Garabit)

11  SNCF-CAV-Eric BERNARD
pantographe caténaire Le pantographe est un « bras » positionné sur le toit des locomotives électriques. Il assure l’alimentation en énergie électrique, par contact glissant avec la caténaire. L’énergie est parfois amenée par un troisième rail, dans ce cas, le pantographe n’est plus nécessaire.  SNCF-CAV-Eric BERNARD

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TGV Atlantique 2 motrices encadrant 10 remorques masse : 444 t longueur ht : 237 m vitesse maxi : 300 km/h puissance : 8800 kW capacité : 485 places  SNCF-CAV-FABBRO et LEVEQUE

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Eurostar 2 motrices encadrant 18 remorques masse : 752 t longueur ht : 394 m vitesse maxi : 300 km/h puissance : kW capacité : 766 places  SNCF-CAV- J.J. D’ANGELO

14  SNCF-CAV- J.J. D’ANGELO
TGV DUPLEX 2 motrices encadrant 8 remorques masse : 386 t longueur ht : 200 m vitesse maxi : 300 km/h puissance : 8800 kW capacité : 516 places  SNCF-CAV- J.J. D’ANGELO

15 Le réseau TGV

16 A l’intérieur du TGV Atlantique:
Pantographe Compartiment voyageurs Bloc puissance Groupe auxiliaire de puissance Équipements de sécurité et ordinateur de bord Rhéostat de freinage Bloc pneumatique Bloc d’absorption des chocs Bogie Réservoir de fréon Transformateur principal Bogie moteur Châssis principal Attelage automatique Antenne de signalisation

17 La locomotive à traction électrique
Les premières locomotives à traction électrique expérimentales furent mises au point vers la fin du XIXe siècle en différentes tensions continues ou alternatives. Mais c’est à partir des années que l’utilisation de la traction électrique se généralise. BB 8100 : ; 1.5 KV Avantages: La locomotive à traction électrique est plus silencieuse, plus rapide, plus facile à conduire et surtout plus puissante que les locomotives à traction diesel ou vapeur. L’énergie électrique est économique et performante sur les lignes à fort trafic (coût de l ’électrification).

18 La locomotive à traction électrique
Une locomotive à traction électrique est mue par un ou plusieurs moteurs électriques, appelés moteurs de traction, qui permettent la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique. L’énergie électrique fournie par le réseau électrique hors ligne ferroviaire est captée à la caténaire par un pantographe ou par l’intermédiaire d’un troisième rail, le retour d'alimentation se fait par les rails. 3ème rail sur réseau 750V et 1.5 kV CC Deux types de locomotives à traction électrique sont exploitées sur le réseau français : la locomotive à courant continu 1.5kV ou à courant monophasé 25kV 50Hz. Les locomotives modernes « bi-courant », (continu et monophasé), voire « multitensions » sont utilisables sur l’ensemble du réseau. BB « multitensions » (adaptée aux réseaux européens) et BB « bi-courant »  SNCF-CAV- J. M. ANGLES

19 Structure de la locomotive à traction électrique
La locomotive est principalement constituée d’une caisse (châssis principal) d’un ou plusieurs bogies (châssis secondaires) , équipés d’un ou plusieurs essieux. Les essieux peuvent être moteur (entraînant) ou porteur (non entraînant).

20 Dénomination d’une locomotive:
L’Union Internationale du Chemin de Fer, à laquelle adhère la SNCF, a établi des règles internationales de désignation des locomotives. Ces règles sont précisément décrites par la fiche UIC n° (Voir aussi: Quelques règles « simplifiées » : - nombre d’essieux moteurs fixés au même châssis ou bogie : A=1, B=2, C=3… - nombre d’essieux porteurs fixés au même châssis ou bogie : désignés par le chiffre correspondant; - le nombre qui suit (15000, 67000,…) désigne le numéro de série de la machine. Exemples : - BB : locomotive à 2 bogies à 2 essieux moteurs par bogie. - CC : locomotive à 2 bogies à 3 essieux moteurs par bogie BB BB 300 : locomotive à 4 bogies à deux essieux moteurs par bogie A1A A1A : locomotive à 2 bogies équipés de 2 essieux moteurs séparés par un essieu porteur.  SNCF-CAV- J. M. ANGLES

21 Exemple de la BB 15000 caisse ou châssis principal

22 Les 2 bogies ou châssis secondaires
Le bogie et ses équipements Ressort de suspension secondaire Moteurs de traction Amortisseur Exemple de la BB 15000 Essieu Les 2 bogies ou châssis secondaires Ressort de suspension primaire Ce bogie est constitué de deux moteurs de traction qui entraînent chacun un essieu (deux roues).

23 Exemple de la BB 15000 2 essieux par bogie ou châssis secondaire, tous moteurs.

24 Caractéristique de traction (roues mi-usées, adhérence moyenne)
BB 15000 Caractéristiques Longueur : 17,48 m Masse totale : 88 tonnes - Diamètre roues : 1,215 m (mi-usées) - Réduction : 1:1, Vitesse maximale : 180 km /h - Effort à la jante à la vitesse maximale : 82 kN En exploitation: - Puissance continue : 4000 kW (128 kN à 110 km/h) - Puissance unihoraire : 4420 kW - Vitesse maximale : 160 km/h 2 bogies indépendants. 1 moteur électrique par bogie, entraînant 2 essieux par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique à rapport constant. Fj (kN) Caractéristique de traction (roues mi-usées, adhérence moyenne) 294 Champ maximum 190 128 93 V (km/h) 98 110 152 172 180

25 Caractéristique de traction (roues mi-usées, adhérence moyenne)
BB 15000 Caractéristiques Longueur : 17,48 m Masse totale : 88 tonnes - Diamètre roues : 1,215 m (mi-usées) - Réduction : 1:1, Vitesse maximale : 180 km /h - Effort à la jante à la vitesse maximale : 82 kN En exploitation: - Puissance continue : 4000 kW (128 kN à 110 km/h) - Puissance unihoraire : 4420 kW - Vitesse maximale : 160 km/h 2 bogies indépendants. 1 moteur électrique par bogie, entraînant 2 essieux par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique à rapport constant. Fj (kN) Caractéristique de traction (roues mi-usées, adhérence moyenne) 294 Champ maximum 190 128 93 V (km/h) 98 110 152 172 180

26 4 – Sécheur d’air et réfrigérant 5 – Bloc batteries
6 1 – Pantographe 2 – Disjoncteur 3 – Bloc rhéostatique 4 – Sécheur d’air et réfrigérant 5 – Bloc batteries 6 – Bloc protections 7 – Bloc thyristors 9 – Réfrigérant du transformateur 10 – Transformateur principal 11 – Capteur de préannonce 13 – Bogie complet équipé de son moteur de traction et de son réducteur

27 Nomenclature 1 – Pantographe 2 – Disjoncteur 3 – Bloc rhéostatique
4 – Sécheur d’air et réfrigérant 5 – Bloc batteries 6 – Bloc protections 7 – Bloc thyristors 8 – Groupe moteur compresseur 9 – Réfrigérant du transformateur 10 – Transformateur principal 11 – Capteur de préannonce 12 – Réducteur 13 – Bogie équipé de son moteur de traction et de son réducteur 14 –Emplacement du moteur de traction 15 – Cabine et pupitre de commande 14

28 Bogie de BB 15000 Le bogie complet sans les 4 roues…. Axe de rotation
d’un essieu Roue à monter sur un axe d’essieu du bogie…

29 Positionnement du moteur électrique sur un bogie de la BB 15000
Moteur électrique entraînant le réducteur en rotation Axe de rotation du moteur électrique

30 Positionnement du réducteur mécanique sur un bogie de la BB 15000
Axe de rotation du moteur électrique Ensemble réducteur mécanique Axes de rotation des deux essieux Roues dentées du réducteur

31 Le pupitre de commande de la BB 15000
Dans sa cabine, le conducteur surveille la signalisation et contrôle la marche du train grâce aux instruments disposés devant lui. Il assure le démarrage, l’arrêt du train et règle la vitesse selon sa feuille de route. Feuille de route

32 Approche fonctionnelle
Système de traction étudié: Locomotive ( BB15000), wagons, rails et caténaire

33 A-0 Transporter A0 W R E Voyageurs ou marchandises transportés
- Dialogue conducteur / motrice selon : - Vitesse de déplacement (consignes vitesse ou courant ) en fonction de : -Réseau monophasé 25 kV -Perturbations énergétiques: horaires, présence conducteur, liaison radio, signaux optiques. pénétration dans l’air, état des rails, déclivité (gravité). charge remorquée, profil, conditions climatiques, état des rails. - Dialogue voie / motrice : arrêt automatique de sécurité. W R E Voyageurs ou marchandises transportés Voyageurs ou marchandises en situation initiale , , Transporter Informations visuelles A0 Pertes énergétiques Énergie électrique renvoyée au réseau Système de transport ferroviaire : locomotive ( BB15000) + wagons + rails + caténaire A-0 N.B.: le conducteur n’appartient pas au système

34 A0 W R E Voyageurs ou Voyageurs ou marchandises marchandises
Le signe * indique un lien hypertexte associé au flux Vitesse, courants * Ordres conducteur  motrice Ws * Informations affichées Communiquer * Dialogue voie / motrice A1 Perturbations énergétiques Cabine, pupitre de commande Réglage I moteurs (pilotage thyristors) Ws Traction / Freinage * Modes de marche Consignes v, I Traiter les données A2 Commande : - disjoncteur - pantographe - auxiliaires Automate, régulateurs, logique électrique et pneumatique * Informations à afficher Énergie électrique renvoyée au réseau C R E Gérer l’énergie Monophasé 25kV / 50 Hz A3 Ws Pertes énergétiques * Energie mécanique Voyageurs ou marchandises en situation initiale Rails, caténaire, procédé de gestion d’énergie *Waux Voyageurs ou marchandises Déplacer A4 transportés v roue * Énergie mécanique restituée Locomotive, wagons, rails Ws Acquérir les données I moteurs A5 A0 Capteurs de vitesse, et courant Images vitesse roue, courants des moteurs

35 A3 W E C R A31 A35 A32 A33 A34 A35 Réseau monophasé 25kV / 50 Hz
Commandes Traction / Freinage Réglage courants moteurs (commandes ponts) Disjoncteur, pantographe Auxiliaires Énergie électrique renvoyée au réseau Distribuer A31 Gérer l’énergie des auxiliaires et de commande Waux et Ws Caténaire, pantographe, rail, disjoncteur A35 - Ws  alimentation circuits commande - Waux énergie pneumatique frein, chauffage, éclairage cabine et wagons... Circuits auxiliaires et de commande 25kV / 50 Hz Adapter A32 Energie électrique restituée Transformateur Couplage moteurs Pertes énergétiques 2 x 950V / 50Hz Moduler A33 I moteurs Ponts Energie électrique restituée Energie mécanique Energie électrique Convertir Energie mécanique restituée A34 Couplage résistances 2 moteurs série Energie électrique restituée Dissiper A3 A35 Résistances de freinage

36 A4 E Voyageurs ou marchandises Voyageurs ou en situation initiale
Le signe * indique un lien hypertexte associé au flux Perturbations énergétiques extérieures * Energie auxiliaires (Waux) Energie mécanique Energie pneumatique Energie mécanique restituée Adapter l’énergie 41 Vitesse roue Pertes par frottement (bogies moteurs) Réducteurs mécaniques (bogies moteurs) Dissiper Etat de la voie 43 Déclivité, air Freins mécaniques * Energie mécanique Pertes énergétiques Energie mécanique Transmettre par adhérence 42 Pertes dues au glissement roue / rail * Energie mécanique restituée Liaison roue / rail Pertes par frottement (bogies wagons) * Energie mécanique Pertes dues à la pénétration dans l’air Voyageurs ou marchandises en situation initiale Voyageurs ou marchandises transportés Déplacer 44 * Energie mécanique restituée Caisse de la locomotive, wagons A4

37 Bibliographie - Internet  SNCF-CAV-FABBRO et LEVEQUE
Centre audiovisuel-Banque d’images SNCF: photos utilisables uniquement dans les pages du présent document. Dossier de ressources techniques «  Ferelec » LEROY-SOMER, par Jean Filippini Encyclopédie des Sciences et des Techniques QUILLET  SNCF-CAV-FABBRO et LEVEQUE

38 Les auteurs du présent document :
Karine Antony Eric Drouaire Renaud Lascours Emmanuelle Peberay Xavier Raynaud Professeurs stagiaires GE Electrotechnique Patrick Raluy Professeur stagiaire GM Construction Serge Mias Formateur à l’IUFM de Midi-Pyrénées en collaboration avec: Philippe Ladoux, J.M. Mendousse, formateurs à l’IUFM de Midi-Pyrénées.