La machine à groupe convertisseur tournant


Introduction

A une époque où le thyristor n'est encore que sur le papier, les curiosités électrotechniques ont bon court et la locomotive à groupe tournant en est un exemple impitoyable! Lourde, vibrante et encombrante, elle résoud tant bien que mal la transformation d'énergie électrique. En France, il y eut au moins 4 types de locomotives dont 2 furent des séries fort bien connues.

- Le prototype BBB 20001 "machine à courroie", ancêtre de la CC 14000

- Les CC 14000 à groupe de conversion monophasé - triphasé

- Les CC 14100 à groupe de conversion monophasé - continue

- Sous continu, on peut noter le cas des CC 1100 qui possédèrent le fameux groupe WARD-LEONARD.


La CC 14000

La CC 14000 restera la machine la plus énigmatique de toutes les locomotives monophasées car elle préfigurera la traction électrique avec moteur sans collecteur. On obtint de si grosses performances avec cette locomotive en terme d'adhérence et de puissance disponible au crochet, que 20 ans après, l'obtination des ingénieurs fut de la réssusiter grâce aux thyristors! Voici donc à juste titre l'ancêtre des machines de types "sybic" et "astrides"! Mais on est encore loin d'utiliser l'onduleur....La 14000 abrite un système unique au monde et fort mystérieux que nous nous dispenserons d'étudier en détail.

Schéma électrique

Le schéma électrique de ce type de machine est globalement le suivant :

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Le disjoncteur principal alimente un transformateur qui rabaisse la tension sur un circuit secondaire à 2700 V. Ce dernier rentre dans un circuit de conversion du courant monophasé 50 Hz en un courant triphasé variable. 6 moteurs asynchrones montés en parallèle reçoivent ce courant.

 Deux systèmes sont mis en œuvre :

 - Le convertisseur de phase.

Monté sur un rotor qui tourne à la vitesse constante de 1000 tr/min (16 2/3 Hz), il convertit en permanence le courant monophasé 50 Hz en courant triphasé 50 Hz.

 - Le convertisseur de fréquence.

 Il convertit le courant triphasé 50 Hz en un courant triphasé variable de 0 à 125Hz. Monté sur un rotor entraîné par un moteur électrique (alimenté par une génératrice couplée au rotor du convertisseur de phase…. un point bien difficile à saisir), sa vitesse de rotation est amenée à changer selon la vitesse des moteurs de traction.

Fonctionnement

Au démarrage, le convertisseur tourne à –750 tr/min, ainsi il ne génère aucun courant triphasé en sa sortie, bien qu’il soit fournit en triphasé 50Hz par le convertisseur de phase. Lorsque la traction est activée, le courant tourne à 1 Hz puis 2… les moteurs asynchrones suivent le rytme.

 Jusqu’à une vitesse d’environs 30 km/h qui correspond à la fréquence de 50Hz, le convertisseur baisse proportionnellement en vitesse. A cette vitesse d’équilibre, le convertisseur de fréquence est immobilisé. Il laisse passer complètement le courant triphasé 50 Hz provenant du convertisseur de phase dans les moteurs de tractions. Jusqu’à la vitesse de 60 km/h, le convertisseur de fréquence reprends sa course pour convertir 50Hz sur la plage 50 à 125 Hz, il monte au maximum à 1275 tr/min.

 Les moteurs asynchrones suivent la vitesse de rotation équivalente à la fréquence à laquelle ils sont alimentés.

 Pilotage :

La 14000 possédait un réglage continue de la vitesse du moteur d’entraînement du convertisseur de fréquence.

 Le mécanicien actionnait le fameux « Coupe Jambon » pour assurer ce réglage.


La CC 14100

La CC 14100, cousine de la 14000, est une solution intermédiaire entre la 14000 et la 12000 qui consiste à profiter à la fois d'un groupe convertisseur permettant les freinage par récupération et des moteurs à courant continu. Beaucoup moins puissante et capricieuse, il s'agissait d'une véritable locomotive diesel où le moteur thermique à été remplacé par un moteur électrique....

Schéma électrique

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Le disjoncteur alimente un transformateur qui abaisse la tension à 1105 V. Celle-ci vient alimenter un moteur synchrone qui tourne à la vitesse de 1500 tours/min. (2 pôles). Sur le même arbre du moteur sont couplées 2 génératrices à excitation séparée qui fournissent l’énergie électrique à 6 moteurs à courant continue à excitation série.

Fonctionnement

Il est très semblable à celui d’une locomotive diesel :

Le moteur synchrone se place d’abords en régime continu dès la mise sous tension de la machine. Puis le mécanicien actionne le « coupe-jambon » pour augmenter l’excitation des 2 génératrices. Le courant créé par les génératrices peut ainsi augmenter sur la plage de 0 à 700 V.

Toutefois, le moteur synchrone n’est pas aussi solide que la transmission diesel – électrique. Il peut « décrocher » à cause de la surcharge des génératrices créée par l’effort des moteurs de tractions. Ainsi l’excitation est limitée.

Le shuntage progressif

 La 14100 possède un ingénieux système de shuntage qui transparaît sur le schéma ci-dessus en couleur grise. Il a été mis en place pour des raisons de conception : On souhaitait limiter au maximum la taille des génératrices pour les intégrer sous le capot de ces machines. Un bobinage séparé s’intercale dans le bobinage inducteur de chaque moteur. Relié à une génératrice montée sur le rotor, il va rajouter un champ d’excitation supplémentaire sur l’induit des moteurs.

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Lorsque le mécanicien effectue le démarrage, les 2 champs sont appliqués à chacun des induits. Au fur et à mesure que la vitesse augmente, un automatisme agit sur la génératrice « anti-shunt » pour faire diminuer l’excitation séparée.

En conséquence la somme des deux excitations diminue. Ainsi tout se passe comme pour un shuntage mais il s’effectue là de manière progressive.

Il semblerait qu’une manivelle de contrôle de l’automatisme ait été mise à disposition du mécanicien.

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