Cette thèse aborde la conception optimale des chaînes de traction par l'exemple d'une chaîne de traction pour métro. Les données d'entrée de la conception d'une chaîne de traction sont la performance attendue et l'encombrement des équipements nécessaires. Pour aider le concepteur, l'outil informatique donne aujourd'hui la possibilité de construire une grande variété de modèles. D'autre part, les algorithmes d'optimisation permettent de trouver les configurations optimales. Ces possibilités ont été exploitées au cours de ce travail. Les modèles développés permettent d'estimer un large nombre de critères. A travers l'exemple de ces modèles, la méthode de conception suivie est détaillée dans le rapport. D'un point de vue technique, la chaîne de traction proposée est détaillée dans le dernier chapitre

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.

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.

Cette thèse aborde la conception optimale des chaînes de traction par l'exemple d'une chaîne de traction pour métro. Les données d'entrée de la conception d'une chaîne de traction sont la performance attendue et l'encombrement des équipements nécessaires. Pour aider le concepteur, l'outil informatique donne aujourd'hui la possibilité de construire une grande variété de modèles. D'autre part, les algorithmes d'optimisation permettent de trouver les configurations optimales. Ces possibilités ont été exploitées au cours de ce travail. Les modèles développés permettent d'estimer un large nombre de critères. A travers l'exemple de ces modèles, la méthode de conception suivie est détaillée dans le rapport. D'un point de vue technique, la chaîne de traction proposée est détaillée dans le dernier chapitre / This thesis deals with the optimal design of electric drivetrains. A drivetrain for metro is taken as an example. The input data for the design are the expected performance and the size of the required equipments.To assist the designer, the computing tool now gives the opportunity to build different sort of models. In addition, optimization algorithms allow finding optimal configurations. This work is an attempt to exploit these possibilities. The design models are used to value a large number of criteria. Through the example of these models, the design method followed is detailed in the document. From a technical point of view, the proposed drivetrain is detailed in the last chapter

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.