A proposta do presente trabalho é a simulação do sistema de tração elétrica metroferroviária alimentada em corrente contínua. Para isto, o trabalho é iniciado com uma caracterização das instalações móveis e fixas do sistema de tração elétrica. Sobre as instalações móveis, o trabalho dedica um capítulo sobre a dinâmica do movimento e outro sobre os acionamento alimentados em corrente contínua. Sobre as instalações fixas, um capítulo trata dos elementos e configurações da rede de alimentação além de trazer cálculos simples da queda de tensão. Outro capítulo é dedicado exclusivamente ao circuito de retorno e aterramento. Após esta caracterização, o trabalho traz, baseado nos capítulos anteriores, um capítulo sobre a modelagem e a simulação das instalações fixas e móveis. Por fim, um estudo de caso é feito para ilustrar o que foi apresentado. / The proposition of this work is the simulation of DC-fed railway and subway systems. To achieve this proposition, this work starts with the characterization of rolling stock and fixed installations. For rolling stock characterization, this work presents one chapter about train dynamics and other chapter about DC-fed traction drives. For fixed installations characterization, this work presents one chapter about fixed installation components, its configuration and also shows some simple voltage drop calculations. The following chapter describes the traction ground system. After these characterizations, the next chapter deals with modeling and simulation of the entire system. To illustrate this work a case study is presented.

A proposta do presente trabalho é a simulação do sistema de tração elétrica metroferroviária alimentada em corrente contínua. Para isto, o trabalho é iniciado com uma caracterização das instalações móveis e fixas do sistema de tração elétrica. Sobre as instalações móveis, o trabalho dedica um capítulo sobre a dinâmica do movimento e outro sobre os acionamento alimentados em corrente contínua. Sobre as instalações fixas, um capítulo trata dos elementos e configurações da rede de alimentação além de trazer cálculos simples da queda de tensão. Outro capítulo é dedicado exclusivamente ao circuito de retorno e aterramento. Após esta caracterização, o trabalho traz, baseado nos capítulos anteriores, um capítulo sobre a modelagem e a simulação das instalações fixas e móveis. Por fim, um estudo de caso é feito para ilustrar o que foi apresentado. / The proposition of this work is the simulation of DC-fed railway and subway systems. To achieve this proposition, this work starts with the characterization of rolling stock and fixed installations. For rolling stock characterization, this work presents one chapter about train dynamics and other chapter about DC-fed traction drives. For fixed installations characterization, this work presents one chapter about fixed installation components, its configuration and also shows some simple voltage drop calculations. The following chapter describes the traction ground system. After these characterizations, the next chapter deals with modeling and simulation of the entire system. To illustrate this work a case study is presented.

Les machines électriques classiques comme les machines asynchrones et les machines à aimant permanent sont largement utilisées dans ces applications de traction, et surtout en traction ferroviaire. Cette thèse évalue la contribution d'un autre type de machines, appelé machines synchrones à double excitation dans cette même application. Le terme double excitation signifie que le flux de la machine est créé par deux sources : le bobinage d'excitation et les aimants permanents. Le degré de liberté fourni par le bobinage d'excitation permet d’atteindre l’objectif d’amélioration de l’efficacité. Ce travail a pour but d’identifier les avantages des machines à double excitation sur un cycle de conduite spécifique. Il définira également les cas dans lesquels cette machine fournira de meilleures performances que celles des machines classiques.Les études récentes considèrent uniquement l’optimisation des systèmes en optimisant chaque composant du système séparément. Cependant, avoir les meilleurs performances dans chacun de ces composants ne signifie pas avoir un meilleur système. Afin d'atteindre des résultats plus réalistes, un modèle multi-physique prenant en compte la non linéarité des matériaux sera développé. Ce modèle intègre également les différents aspects comme l’électromagnétisme, la thermique, la mécanique et l’électronique de puissance. / Classical electrical machines such as asynchronous and permanent magnet synchronous machines have been widely applied in traction applications and particularly in railway traction. This thesis, however, evaluate the contribution of a special class of synchronous machine called textbf{D}ouble textbf{E}xcitation textbf{S}ynchronous textbf{M}achine (DESM) for the railway traction. Double excitation term indicates that the field flux of the machine is created by two sources: excitation windings and permanent magnets. The degree of freedom provided by the excitation windings provides the opportunity to work on the energy efficiency improvement target. This thesis will try to answer the question whether DESM is more advantageous over classical machines in a specific driving cycle and in addition, in which cases a DESM performs better.Recent studies have merely optimized the individual components, the major drawback of this approach is that the combination of the best individuals does not necessarily form a best system. In order to achieve more realistic results, a multi-physic models taking into account nonlinear characteristic and various disciplines such as electromagnetic, thermal, mechanical and power electronics will be developed.

O presente trabalho traz o estudo da simulação do desempenho (simulação de marcha) de uma composição ferroviária acionada através de inversores de tensão e motores de indução e alimentada em corrente contínua, um tipo de material rodante recentemente introduzido no Brasil. Tal fato faz com que seja necessário o desenvolvimento de métodos de análise das características deste tipo de material, objetivo maior deste trabalho. A metodologia de análise aqui desenvolvida tem como base a teoria da tração elétrica para o equacionamento da dinâmica do movimento, a teoria do controle do motor de indução e a teoria do funcionamento do próprio motor de indução para a obtenção da corrente captada por esta composição - um dos principais resultados obtidos. A aplicação desta metodologia é dada através da simulação de uma composição em três tipos de vias diferentes. Uma análise posterior dos resultados traz a possibilidade de uma simplificação do método de obtenção da corrente captada. Tal possibilidade é apresentada e comparada com os dados anteriormente obtidos validando-a. / This dissertation is a study of the duty cycle simulation of inverter-fed induction traction drives for DC-supplied railway system. This type of equipment is new in Brazilian railway and subway systems and the need to model and to simulate became an important issue and the aim of this dissertation. The development of the model is based on electric railway traction theory for train dynamics, on inverter-fed induction machine control and induction machine theory to calculate the input line current from power supply - one of the most important results. As an example, a modeling and simulation of one train running in three different lines is shown. The analysis of the results shows that the input line current from power supply may be obtained by a simplified model. This hypothesis is studied, the results are compared and the simplified model is then validated.

O presente trabalho traz o estudo da simulação do desempenho (simulação de marcha) de uma composição ferroviária acionada através de inversores de tensão e motores de indução e alimentada em corrente contínua, um tipo de material rodante recentemente introduzido no Brasil. Tal fato faz com que seja necessário o desenvolvimento de métodos de análise das características deste tipo de material, objetivo maior deste trabalho. A metodologia de análise aqui desenvolvida tem como base a teoria da tração elétrica para o equacionamento da dinâmica do movimento, a teoria do controle do motor de indução e a teoria do funcionamento do próprio motor de indução para a obtenção da corrente captada por esta composição - um dos principais resultados obtidos. A aplicação desta metodologia é dada através da simulação de uma composição em três tipos de vias diferentes. Uma análise posterior dos resultados traz a possibilidade de uma simplificação do método de obtenção da corrente captada. Tal possibilidade é apresentada e comparada com os dados anteriormente obtidos validando-a. / This dissertation is a study of the duty cycle simulation of inverter-fed induction traction drives for DC-supplied railway system. This type of equipment is new in Brazilian railway and subway systems and the need to model and to simulate became an important issue and the aim of this dissertation. The development of the model is based on electric railway traction theory for train dynamics, on inverter-fed induction machine control and induction machine theory to calculate the input line current from power supply - one of the most important results. As an example, a modeling and simulation of one train running in three different lines is shown. The analysis of the results shows that the input line current from power supply may be obtained by a simplified model. This hypothesis is studied, the results are compared and the simplified model is then validated.

L'objectif du projet CONCIGI-HT (CONvertisseur alternatif-continu Compact à Isolement Galvanique Intégré Haute Tension) est d'augmenter le rendement des chaînes de traction tout en réduisant la masse et le volume de la fonction de conversion Alternatif/Continu. Pour cela, l'ensemble transformateur basse fréquence - redresseur est remplacé par une structure multi-convertisseurs, directement connectée à la caténaire haute tension et intégrant des transformateurs fonctionnant en moyenne fréquence (plusieurs kHz). Cette thèse concerne plus particulièrement la caractérisation et la mise en œuvre de composants semi-conducteurs haute tension dans des structures de conversion statiques à étage intermédiaire moyenne fréquence. L'étude est effectuée sur la base d'une chaîne de traction de 2 MW fonctionnant sur un réseau 25 kV/50 Hz. Le premier chapitre présente l'état de l'art de l'Automotrice à Grande Vitesse (AGV) récemment produite par ALSTOM. C'est la chaîne de traction de cet engin qui sert de référence pour l'étude des nouvelles topologies à transformateur moyenne fréquence. Le deuxième chapitre décrit tout d'abord la structure d'une chaîne de traction classique et présente ensuite deux topologies multicellulaires à transformateur moyenne fréquence applicables en traction électrique ferroviaire (la structure indirecte à redresseur de courant MLI et convertisseur DC/DC à résonance ainsi que la topologie directe associant des convertisseurs duaux). Les avantages et inconvénients de ces topologies sont mis en évidence. Le troisième chapitre concerne la mise en œuvre et la caractérisation en commutation douce de composants Silicium 6,5 kV dans les deux topologies présentées précédemment. Deux bancs de test, représentant un étage élémentaire de conversion, ainsi que des allumeurs spécifiques dédiés à la commutation douce, ont été réalisés. Ils permettent l'étude des semi-conducteurs en régime permanent dans des conditions nominales de fonctionnement (3,6 kV / 100 A). Le quatrième chapitre présente la mise en œuvre et la caractérisation de composants en carbure de silicium (SiC). Pour cela des modules de puissance à base de puces 10 kV (MOSFET et Diodes) ont été réalisés. Les résultats expérimentaux, obtenus sur les bancs de test réalisés au chapitre précédent, mettent en évidence une réduction significative des pertes et démontrent la viabilité de la topologie à convertisseurs duaux pour une application en 25 kV/50 Hz. La conclusion présente un premier design d'un bloc élémentaire et les gains en masse et volume ainsi que les économies d'énergies qui pourront être obtenus par rapport à une structure classique. / The objective of the CONCIGI-HT project (Compact AC/DC converter with Integrated High Voltage Galvanic Insulation) is to increase the efficiency of traction drives while reducing the mass and volume of the AC/DC conversion. To do that, the part low-frequency transformer - rectifier is replaced by a multi-converter topology, directly connected to the high voltage power supply and incorporating medium frequency transformers (several kHz). This thesis relates more particularly to the characterization and implementation of high voltage semiconductors in conversion topologies with intermediate medium frequency link. The study is performed on the basis of a traction drive of 2 MW operating on a 25 kV/50 Hz power supply. The first chapter presents the state of the art of the Automotrice à Grande Vitesse (AGV) recently produced by ALSTOM. The traction drive of this vehicle is used as a reference for the study of new topologies with medium frequency transformer. The second chapter first describes the structure of a conventional traction drive and then presents two multicellular topologies with medium frequency transformer applicable to railway traction (the indirect structure with PWM rectifier and DC/DC resonant converter and the direct topology combining dual converters). The advantages and disadvantages of these topologies are highlighted. The third chapter deals with the implementation and soft switching characterization of 6.5 kV Silicon components in both topologies presented above. Two test benches, representing a basic conversion stage, as well as specific drivers dedicated to the soft switching, has been made. They allow the study of semiconductors in nominal operating conditions (3.6 kV / 100 A). The fourth chapter presents the implementation and characterization of silicon carbide components (SiC). For this, power modules based on 10 kV chips (MOSFET and Diodes) have been achieved. The experimental results obtained on test benches made in the previous chapter, show a significant reduction in losses and demonstrate the viability of the dual converter topology for a 25 kV/50 Hz application. The conclusion presents the first design of an elementary block and gains in mass and volume as well as the energy savings that can be achieved compared to a conventional structure.

Avec l’apparition des différentes normes et règlementations telles que les normes ISO 14001, les préoccupations industrielles y compris ferroviaires sont de plus en plus orientés vers l’éco-conception. La problématique la plus importante dans l’éco-conception des produits ferroviaires est de réduire leurs impacts environnementaux tout en maintenant leurs performances fonctionnelles et en maitrisant le coût. La solution pour surmonter ce problème est de trouver un ensemble de compromis entre les deux objectifs (impacts et coût).L’éco-conception des produits ferroviaires présentent plusieurs difficultés parce que, d’une part, leur analyse de cycle de vie est très lourde. D’autre part, l’intégration de leurs impacts dans la phase de conception est délicate vu leur nombre. Enfin, ces composants ont parfois différents types de modèles à exploiter car ils présentent des compromis entre la précision et le temps de calcul. Pour surmonter ces problèmes nous avons présenté dans cette thèse une méthode qui consiste premièrement, à alléger l’ACV à l’aide d’un logiciel de gestion environnementale et d’en profiter pour construire un modèle malléable pour calculer les différents impacts. Deuxièmement, à agréger ces impacts pour obtenir un seul indice qui sera considéré comme notre critère environnemental. Pour exploiter les outils d’optimisation, le problème d’éco-conception est traduit par un problème d’optimisation. Les algorithmes d’optimisation sont capables de trouver l’ensemble de compromis optimaux entre le critère environnemental et la masse (coût) sous forme d’un graphe appelé front de Pareto. Certains algorithmes ont été adaptés pour mieux servir dans l’éco-conception / With the introduction of different environmental standards like ISO 14001, concerns of manufacturers in railway industry are more and more oriented to the design of green products. One important issue when designing such products is the control of the cost impact and the evaluation of the price which consumers agree to pay for a reduced environmental footprint.Eco-design of railway train presents several challenges for the designer. The first one is the complexity of the life cycle analysis of such components. The second challenge is the necessity of consideration of several environmental impacts in design stage given the number of impacts. Finally, railway components have different models with different granularity which can be used in the process of eco-design. To overcome these problems we propose in this work a method which involves two steps. The first one is to simplify the LCA of the railway train using environmental management software and take the opportunity to build a malleable model to calculate eleven impacts. The second step, is to aggregate these impacts for a single indicator which is considered later as environmental criterion in the eco-design process. In order to investigate optimization tools, the eco-design problem is expressed into an optimization problem. Optimization algorithms are able to solve this problem and to find the optimal set of compromises between environmental criterion and the cost of the railway product. The set of compromises is given as a graph called the Pareto front. In our work the cost is expressed by the mass of the component and some optimization algorithms have been adapted in this work to serve in the process of eco-design

Ce travail concerne l’étude et la réalisation d’une architecture multicellulaire de conversion d’énergie électrique haute tension avec étage intermédiaire alternatif moyenne fréquence destinée à la traction électrique ferroviaire. L’objectif de ce travail est de diminuer la masse et le volume de l’étage de conversion alternatif-continu que l’on retrouve dans les engins de traction conçus pour circuler sur les réseaux alternatifs 25kV-50Hz ou 15kV-16Hz2/3. La recherche de gains sur l’étage de conversion alternatif-continu s’applique aussi bien sur les automotrices où l’on cherche à gagner de la place disponible pour y placer des passagers que sur les locomotives ou encore sur les motrices de TGV où l’on recherche un gain de masse étant donné que ces engins sont en limite de charge à l’essieu. Le contexte de la haute tension implique l’utilisation d’interrupteurs de forts calibres en tension pour limiter au maximum le nombre de cellules de conversions utilisées. D’un autre côté, la recherche de gains sur le transformateur nécessite une fréquence de découpage élevée, génératrice de pertes en commutation dans les interrupteurs. L’architecture de conversion retenue permet par l’association de structures duales d’obtenir des conditions de commutation douce, ce qui est favorable à une montée en fréquence avec des interrupteurs de forts calibres en tension. Le convertisseur élémentaire associe un onduleur de tension commandé au blocage et un commutateur de courant commandé à l’amorçage. Afin d’évaluer le rendement de l’architecture considérée, un prototype d’un bloc de conversion élémentaire, d’une puissance de 280 kVA, a été réalisé au laboratoire PEARL. Les interrupteurs sont réalisés sur la base de modules IGBT 6,5kV/200A. Les essais en commutation douce ont permis d’évaluer, dans des conditions de fonctionnement réelles, les pertes dans les modules IGBT. Compte tenu de ces résultats, il est possible de déterminer les limites de fonctionnement de la structure de conversion et d’effectuer un dimensionnement en considérant le compromis rendement-poids-volume pour un engin de traction donné. / This thesis concerns the study and the rating of a high voltage multicellular converter with an intermediate medium frequency stage dedicated to railway traction. The objective is to reduce the weight and the volume of the AC-DC conversion stage which is implemented in railway engines running on 25kV-50Hz or 15kV-16Hz2/3 railways. Reduction on weight and size of the AC-DC converter may be applied on multiple unit trains where the transformer causes room loss for passengers and on locomotives and high speed trains where the axle load is limited. On one hand high voltage switches are required in order to minimize the number of cells used to build the converter. On the other hand, reducing the size and the weight of the transformer requires a high switching frequency, causing high commutation losses. To achieve soft switching conditions with high voltage semiconductors, the proposed topology is based on an association of dual structures. Each elementary converter combines a controlled turn-off voltage source inverter and a controlled turn-on current source inverter. In order to estimate the efficiency of the new topology, a prototype of one elementary cell working at 280 kVA, was built at the Power Electronics Associated Research Laboratory (PEARL). The switches are standard 6.5 kV/200A IGBTs modules. Soft-switching tests, in real operating conditions, allow evaluating IGBTs and diodes switching losses. Thanks to these results, it is possible to find the structure operating limits and to size the transformer considering the trade-off between the system efficiency and the transformer weight.

La conception d'un système électrique est une tâche très complexe qui relève d’expertises dans différents domaines de compétence. Dans un contexte compétitif où l’avance technologique est un facteur déterminant, l’industrie cherche à réduire les temps d'étude et à fiabiliser les solutions trouvées par une approche méthodologique rigoureuse fournissant une solution optimale systémique.Il est alors nécessaire de construire des modèles et de mettre au point des méthodes d'optimisation compatibles avec ces préoccupations. En effet, l’optimisation unitaire de sous-systèmes sans prendre en compte les interactions ne permet pas d'obtenir un système optimal. Plus le système est complexe plus le travail est difficile et le temps de développement est important car il est difficile pour le concepteur d'appréhender le système dans toute sa globalité. Il est donc nécessaire d'intégrer la conception des composants dans une démarche systémique et globale qui prenne en compte à la fois les spécificités d’un composant et ses relations avec le système qui l’emploie.Analytical Target Cascading est une méthode d'optimisation multi niveaux de systèmes complexes. Cette approche hiérarchique consiste à décomposer un système complexe en sous-systèmes, jusqu’au niveau composant dont la conception relève d’algorithmes d'optimisation classiques. La solution optimale est alors trouvée par une technique de coordination qui assure la cohérence de tous les sous-systèmes. Une première partie est consacrée à l'optimisation de composants électriques. L'optimisation multi niveaux de systèmes complexes est étudiée dans la deuxième partie où une chaîne de traction électrique est choisie comme exemple / The design of an electrical system is a very complex task which needs experts from various fields of competence. In a competitive environment, where technological advance is a key factor, industry seeks to reduce study time and to make solutions reliable by way of a rigorous methodology providing a systemic solution.Then, it is necessary to build models and to develop optimization methods which are suitable with these concerns. Indeed, the optimization of sub-systems without taking into account the interaction does not allow to achieve an optimal system. More complex the system is more the work is difficult and the development time is important because it is difficult for the designer to understand and deal with the system in its complexity. Therefore, it is necessary to integrate the design components in a systemic and holistic approach to take into account, in the same time, the characteristics of a component and its relationship with the system it belongs to.Analytical Target Cascading is a multi-level optimization method for handling complex systems. This hierarchical approach consists on the breaking-down of a complex system into sub-systems, and component where their optimal design is ensured by way of classical optimization algorithms. The optimal solution of the system must be composed of the component's solutions. Then a coordination strategy is needed to ensure consistency of all sub-systems. First, the studied and proposed optimization algorithms are tested and compared on the optimization of electrical components. The second part focuses on the multi-level optimization of complex systems. The optimization of railway traction system is taken as a test case

Dans le contexte actuel de globalisation des marchés, le processus classique de conception par essais et erreurs n'est plus capable de répondre aux exigences de plus en plus accrues en termes de délais très courts, réduction des coûts de production, etc. L'outil d'optimisation propose une réponse à ces questions, en accompagnant les ingénieurs dans la tâche de conception optimale.L'objectif de cette thèse est centré sur la conception optimale des systèmes complexes. Deux approches sont abordées dans ce travail: l'optimisation par modèles de substitution et la conception optimale basée sur la décomposition des systèmes complexes.L'utilisation de la conception assistée par ordinateur (CAO) est devenue une pratique régulière dans l’industrie. La démarche d'optimisation basée sur modèles de substitution est destinée à répondre à l'optimisation des dispositifs bénéficiant d’une telle modélisation précise, mais couteuse en temps de calcul.Les chaînes de traction ferroviaire sont trop complexes pour être traités comme un tout. La décomposition de ces systèmes s’impose en vue de simplifier le problème et de repartir la charge de calcul. Des stratégies appropries à la résolution de telles structures ont été analysées dans ce travail. Ces approches permettent à chaque équipe de spécialistes de travailler de façon autonome à l'objet de leur expertise.Les approches d'optimisation développées au sein de ce travail ont été appliquées pour résoudre plusieurs problèmes d'optimisation électromagnétiques, ainsi que la conception optimale d’un système de traction ferroviaire de la Société Alstom / Within a globalized market context, the classical trial-and-error design process is no longer capable of answering to the ever-growing demands in terms of short deadlines, reduced production costs, etc. The optimization tool presents itself as an answer to these issues, accompanying the engineers in the optimal design task.The focus of this thesis is centered on the optimal design of complex systems. Two main optimization approaches are addressed within this work: the metamodel-based design optimization and the decomposition-based complex systems optimal design.The use of computer-aided design/engineering (CAD/CAE) software has become a regular practice in the engineering design process. The metamodel-based optimization approach is intended to address the optimization of devices represented by such accurate but computationally expensive simulation models, as the finite element analysis (FEA) in electromagnetics.Engineering systems such as railway traction systems are too complex to be addressed as a whole. The decomposition-based optimization strategies are intended to address the optimal design of such systems. The decomposition of such systems is required in order to simplify the problem and to distribute the computational burden across the decomposed structure. Appropriate multi-level strategies have been identified and analyzed within this work. Such approaches allow each team of specialists to work independently at the object of their expertise.The optimization approaches developed within this work are applied for solving several electromagnetic optimization problems and a railway traction system optimal design problem of the Alstom Company