Depuis un demi-siècle, le développement de la traction électrique ferroviaire en courant monophasé en France s'est appuyé sur les progrès réalisés aussi bien au niveau des installations fixes de traction qu'au niveau du matériel roulant. Toutefois, au cours des deux dernières décennies, l'augmentation du trafic et l'introduction de locomotives avec des chaines de traction innovantes ont été à l'origine de phénomènes électriques qui se sont avérés néfastes pour l'exploitation du système. Les premiers phénomènes observés ont été à l'origine de dégâts matériels à bord de locomotives. Il s'agissait de surtensions résultant d'une interaction défavorable entre l'impédance interne de l'infrastructure et les harmoniques générés par les engins moteurs équipés de redresseurs à thyristors. Plus récemment, suite à l'introduction massive d'engins équipés de redresseurs à absorption sinusoïdale de courant, un phénomène de modulation très basse fréquence de la tension caténaire est apparu et a provoqué la mise hors tension des locomotives voire la disjonction de la sous station alimentant le secteur concerné. Ceci constitue aujourd'hui un obstacle majeur à l'utilisation généralisée de la nouvelle technologie à bord des engins. Ces perturbations affectent l'exploitation du système en entrainant généralement des retards voire des annulations de circulation. Elles peuvent aussi dégrader la qualité d'énergie du réseau d'électricité amont à un niveau tel que la sous-station d'alimentation doit être déconnectée. La direction de l'ingénierie de la SNCF a donc pris des dispositions pour comprendre puis éviter l'apparition des phénomènes observés. Une collaboration interne entre le centre d'ingénierie du matériel et la division des installations fixes de traction électrique ainsi qu'un partenariat avec le LAPLACE ont été mis en place. Le présent document est le fruit de cette collaboration. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier et de modéliser les interactions entre les engins et les installations fixes de traction sur le réseau français 25kV/50Hz. Ce manuscrit comporte deux parties principales qui s'organisent ainsi : La première partie est consacrée à l'étude du phénomène de modulation très basse fréquence de la tension caténaire. Les modèles des deux principaux composants du système sont d'abord présentés. Les études ainsi menés permettent de comprendre l'origine du phénomène, puis ensuite de développer une méthode de caractérisation des engins permettant de retrouver les limites de stabilité dans les secteurs problématiques du réseau ferré. Ceci nous a conduit à proposer une représentation générale des locomotives modernes sous forme d'une matrice admittance qu'il est possible d'obtenir par une mesure directe sur des engins réels. La deuxième partie concerne l'étude des interactions harmoniques à l'origine de surtensions sur la caténaire. L'analyse systématique du phénomène est basée sur des outils de simulation de circuits électroniques de puissance utilisant une bibliothèque de modèles élémentaires. La première étape consiste à développer un modèle « moyenne fréquence » du réseau d'alimentation afin de mettre en évidence les fréquences de résonance de l'ensemble ligne/sous-station. La deuxième étape consiste à modéliser les locomotives afin de prendre en compte leur réponse harmonique. Au final, il devient possible de savoir si un engin donné va générer des déformations de la tension en vérifiant si l'une des composantes harmoniques du courant absorbé coïncide avec une des résonances caractéristique du circuit d'alimentation. Pour compléter cette deuxième partie, une modélisation plus fine, intégrant l'effet de peau et l'effet de proximité est abordée. Elle s'appuie sur la caractérisation expérimentale en moyenne fréquence d'un transformateur 50Hz. Ceci nous permet de vérifier l'influence de ces phénomènes sur le comportement fréquentiel du réseau d'alimentation. / For a half a century, the increasing development of AC electrical traction railway networks in France relied on the progress made in the infrastructure power supply an in the rolling stock. However, over the past two decades, increased traffic and the introduction of modern locomotives were the cause of electrical phenomena that have proven harmful to the operation of the railway network. The first events that occurred induced serious faults on board locomotives. It was overvoltages resulting from unfavourable interaction between the internal impedance of the infrastructure and the harmonics generated by the electrical vehicles using thyristor controlled rectifiers. More recently, with the massive introduction of active front-end locomotives, problems of low frequency oscillations and instability were observed causing power off locomotives or disjunction of the sector sub-station. The objective of this thesis is to study and model the interactions between locomotives and fixed installations for electric traction on the French rail network 25kV/50Hz. This script has two main parts, which organized as follows: The first part is devoted to the study of the phenomenon of very low frequency modulation of the catenary voltage. The models of the two main components of the system, namely the single-phase power and the active front-end locomotives are first presented. Studies conducted this way, help to understand the origin of the phenomenon and then to develop a method to characterize the vehicle to find the stability limits in problems sectors of the rail network. This led us to propose a general representation of modern locomotives as an admittance matrix that can be obtained by direct measurement on real machines. The second part is the study of harmonic interactions causing overvoltages on the catenary. Systematic analysis of the phenomenon is based on simulation tools of power electronics circuits using a collection of specific elementary models. The first step consists in developing a “medium frequency” model of the power network in order to highlight the resonance and anti-resonance frequencies of the line/sub-station set. The second step is to model locomotives to take into account their harmonic response. In the end, it becomes possible to know whether a particular machine will generate deformations of the catenary voltage, by checking if any of the harmonic components of the consumed current coincides with one of the characteristic resonances of the traction electric circuit. To complete the second part, a more detailed model is discussed incorporating physical phenomena that occur with an increasing frequency (skin effect in the insulted conductors or proximity effect between conductors).It is based on the experimental characterization on medium frequency of a 50Hz transformer. This allows us to check the influence of these phenomena on the frequency behaviour of the supply network.

Actuellement, la majorité des convertisseurs embarqués dans des trains circulant sous une caténaire alternative est composée d’un transformateur basse fréquence, puis de redresseurs,alimentant des moteurs de traction via des onduleurs de traction. Les inconvénients majeurs de ces structures sont un volume et une masse embarqués importants, dus au transformateur fonctionnant en basse fréquence. Le rendement est également mauvais, à cause des contraintes de volume et de masse. Grâce aux développements des semiconducteurs haute tension et forte puissance et des transformateurs moyenne fréquence, i.e. de l’ordre de quelques kilohertz, de nouvelles topologies de convertisseurs embarqués, appelées transformateurs électroniques, sont à l’étude. Si plusieurs topologies ont déjà été étudiées dans la littérature, elles n’ont jamais été comparées. L’objectif principal de cette thèse est donc de proposer une méthodologie de dimensionnement des différentes topologies de transformateurs électroniques, afin de pouvoir les comparer. Un état de l’art des différentes structures proposées dans la littérature est présenté dans le premier chapitre de ce mémoire. Le chapitre 2 est consacré à la comparaison de structures indirectes. Pour cela, une méthodologie, permettant d’optimiser le dimensionnement de chaque structure afin de maximiser son rendement sous des contraintes de masse et de volume, a été développée. Elle est ensuite appliquée sur des topologies utilisant des MOSFET SiC, contrairement aux structures à IGBT Si développées dans la littérature. L’inductance magnétisante est considérée afin d’assurer un fonctionnement en commutation douce, et ainsi limiter les pertes. Un troisième chapitre propose un filtre actif innovant, intégré aux DC-DC du convertisseur. Celui-ci a pour but de réduire le volume du condensateur de filtrage des bus intermédiaires, et ainsi le volume total du convertisseur, sans dégrader la fiabilité intrinsèque de celui-ci. Son fonctionnement et son impact sur les pertes du DC-DC y sont étudiés. Enfin, le dernier chapitre est dédié à l’étude des interactions entre le convertisseur embarqué et l’infrastructure ferroviaire. Pour cela, des modèles d’infrastructure 25 kV-50 Hz ont été réalisés. Ceux ci comportent notamment un circuit original modélisant l’effet de peau dans la caténaire. Des résonances à certaines fréquences, caractéristiques de la géométrie du réseau et de la position du train sur celui-ci, ont été mises en évidence dans l’impédance vue par le train. Ces modèles ont aussi été implémentés dans un simulateur numérique, pour alimenter une maquette petite échelle de convertisseur. Ce type de test n’a, a priori, jamais été réalisé sur un transformateur électronique. Une conclusion générale et des perspectives sur les travaux présentés concluent ce mémoire / Current on-board converters, running on AC catenaries, are mainly composed by a low frequency transformer, then rectifiers, supplying traction motors through three-phase inverters. Due to volume and mass constraints on the converter, the efficiency of the transformer is limited. Moreover, this transformer is quite bulky and heavy. Thanks to the development of high voltage and high power semiconductors, such as Si IGBTs or SiC MOSFETs, and of medium frequency transformer, i.e. operating at a few kilohertz, new topologies of on-board converters, named Power Electronic Traction Transformer (PETT), are studied. Though several structures have been studied in the literature, they have never been compared. The main objective of this thesis is, thus, to develop a methodology to size PETT topologies, in order to compare them. In the first chapter, a state of the art of the PETT structures proposed in literature is presented. The second chapter is dedicated to the comparison of indirect topologies. A methodology, optimising the sizing of each structure to maximise its efficiency under mass and volume constraints, is developed. It is applied on topologies using SiC MOSFETs, contrary to Si IGBT structures developed in the literature. The magnetizing inductance is also considered to insure soft switching and reduce the losses. In the third chapter, an novel active filter, included in the DC-DCs of the converter, is proposed. The aim is to reduce the volume of the filtering capacitors on the intermediate buses, and thus, of the entire converter, without impacting the intrinsic reliability of the converter. Its impact on the losses of the DC-DC is studied. The last chapter deals with the interactions between the on-board converter and the infrastructure. Thus, the 25 kV-50 Hz railway network is modeled. It includes a novel circuit, modelling the skin effect in the catenary. Some resonances, dependant on the sector geometry and the train position, are highlighted in the impedance seen by a train. Moreover, the models are implemented in a numerical simulator to supply a small scale mock-up of a PETT. PHIL tests have, a priori, never been carried on a PETT. A conclusion and some perspectives of future work close thisdissertation.