ferroviaire asynchrone repartie
Tahar Achour. Continuite de service dâune chane de traction
ferroviaire asynchrone repartie. Energie electrique. Universite
Paul Sabatier - Toulouse III, 2013. Francais.
<tel-00870610>
HAL Id: tel-00870610
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publics ou prives.
Résumé
Cette Ă©tude sâintĂ©resse principalement aux avantages que peut
offrir une architecture dâune traction ferroviaire Ă©lectrique
asynchrone répartie. Ceci est obtenu à travers les de-
grĂ©s de libertĂ© additionnels quâelle apporte, dâune part, par la
commande des systĂšmesmulti-convertisseurs/multi-machines la
constituant, dâautre part, par lâexploitation de la redondance
structurelle quâelle offre naturellement. Lâobjectif principal
quâon cherche Ă atteindre au travers de ces deux aspects, commande
et redondance structurelle, permet dâassurer la continuitĂ© de
service de la chaßne de traction répartie en présence de diffé-
rentes perturbations. Cette Ă©tude nous amĂšnera Ă la conception dâun
organe décisionnel qui apporte les adaptations, les
reconfigurations de commandes voire dâobservateurs nĂ©ces- saires
pour maintenir le bon fonctionnement du systĂšme en modes nominal et
perturbĂ©. Lâanalyse des diffĂ©rentes structures de commandes
coopĂ©ratives dâun systĂšme biondu- leur/bimoteur nous a conduit Ă
lâĂ©volution de la Commande Moyenne DiffĂ©rentielle pour
proposer une stratĂ©gie dâanti-patinage. Les diffĂ©rentes stratĂ©gies
ainsi proposées ont étévalidées expérimentalement sur une
plate-forme Ă©mulant la charge mĂ©canique dâun bogie de traction
composĂ© dâun systĂšme bionduleur/bimoteur.
Mots clefs Traction Ă©lectrique, SystĂšme
Multi-onduleur/Multi-machine, Com- mandes coopératives, Continuité
de service, Perte dâadhĂ©rence, Broutement, DĂ©faut de capteur,
Organe décisionnel.
Abstract
This study focuses on the benefits that can be induced by a
Distributed Induction Machine Railway Traction. This is obtained
through the additional degrees of freedom it provides, on the one
hand across the cooperative controls of the multi-converter/multi-
machine systems which constitute the distributed traction and on
the other hand by exploiting the Natural Structural Redundancy
available in this system. The main ob- jective we want to
reach through these two aspects, cooperative controls and
structural redundancy, is to ensure service continuity of the
distributed railway traction. This study leads to design a
supervising automaton which allows ensuring service continuity of
the studied system in the case of external disturbances by making
the necessary adjustments and drive control commutation. The
analysis of cooperative controls leads to the impro- vement of the
Average Differential Control and to propose a new anti-slip
strategy. The structure redundancy advantage of a
multi-converter/multi-machine system is used in order to compensate
the speed sensor fault. Finally, the different strategies which
have been proposed are experimentally validated on a test bench
that emulates a traction bogie composed by a
dual-inverter/dual-motor system.
Keywords Railway Traction, Multi-converter/Multi-machine
System, Cooperative
Controls, Continuity of Service, Loss of Adherence, Stick-Slip
Perturbations, Sensor Fault, Supervising Automaton.
8/18/2019 These Achour Tahar
Remerciements
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au
LAboratoire PLAsma et
Conversion dâEnergie (LAPLACE) au sein du groupe COmmande et
DIAgnostic des Sys-
tĂšmes Electriques (CODIASE).
Je tiens tout dâabord Ă remercier ma directrice de thĂšse Madame
Maria PIETRZAK-
DAVID, Professeur des UniversitĂ©s Ă lâInstitut National
Polytechnique de Toulouse, an- cienne directrice du département de
formation GĂ©nie Electrique-Automatique de lâEcole
Nationale SupĂ©rieure dâElectrotechnique, dâElectronique,
dâInformatique, dâHydraulique
et des TĂ©lĂ©communications (ENSEEIHT), directerice de lâEcole
Doctorale GĂ©nie Elec-
trique, Electronique et Télécommunications (GEET) de Toulouse et
chercheur du groupe
CODIASE au LAPLACE. Je la remercie Ă©normĂ©ment de mâavoir fait
confiance et de
mâavoir confiĂ© ce sujet de thĂšse. Je la remercie pour sa
disponibilité, ses conseils et ses
encouragements au cours de ces années de thÚse et surtout pour ses
qualités humaines.
Je remercie Ă©galement les membres du jury :
âą Madame BETTY SEMAIL, Professeur des UniversitĂ©s Ă
PolytechâLille et chercheur
au Laboratoire dâElectrotechnique et dâElectronique de Puissance de
Lille, pour
mâavoir fait lâhonneur de prĂ©sider le jury et pour lâintĂ©rĂȘt
quâelle a portĂ© aux travaux
réalisés.
âą Monsieur Bernard DAVAT, Professeur des UniversitĂ©s Ă
Université de Lorraine et
directeur du Laboratoire Groupe de Recherche en Ălectrotechnique et
Ălectronique
de Nancy (GREEN), pour avoir accepté la tùche de rapporteur de ce
mémoire. Merci
Ă lui pour ses commentaires et remarques constructives par rapport
au mémoire.
âą Monsieur Mohamed BENBOUZID, Professeur des UniversitĂ©s Ă
lâUniversitĂ© de Bre-
tagne Occidentale (UBO), Directeur Adjoint au Laboratoire Brestois
de MĂ©canique
et des SystĂšmes (LBMS) et Responsable de lâEquipe Commande &
Diagnostic des
SystĂšmes ElectromĂ©caniques (CDSE), dâavoir acceptĂ© dâĂȘtre
rapporteur. Merci pour
lâintĂ©rĂȘt quâil a portĂ© Ă nos travaux et ses remarques
constructives.
⹠Monsieur Marc DEBRUYNE, Ingénieur et expert transport
ferroviaire Ă ALSTOM
Transport de Tarbes, pour lâhonneur quâil nous a fait en
participant Ă notre jury de
v
thĂšse et pour ses commentaires trĂšs constructifs.
âą Monsieur Bruno ESTIBALS, Professeur des UniversitĂ©s Ă
lâUniversitĂ© Toulouse 3
et chercheur au sein du groupe Intégration de SystÚmes de Gestion
de lâEnergie
(ISGE) du Laboratoire dâAnalyse et dâArchitecture des SystĂšmes
(LAAS), pouravoir acceptĂ© dâĂȘtre membre du jury et pour lâintĂ©rĂȘt
quâil a apportĂ© Ă ce sujet de
thĂšse.
âą Monsieur Pascal MAUSSION, Professeur des UniversitĂ©s Ă
lâInstitut National Po-
lytechnique de Toulouse et responsable du groupe CODIASE au LAPLACE
pour
avoir accepté de faire partie des membres du jury. Je le remercie
aussi pour son
animation du groupe.
Je tiens aussi Ă remercier Monsieur Maurice Fadel, directeur
adjoint du laboratoire LAPLACE, pour son accueil dans le
laboratoire. Mes remerciements vont aussi Ă toute
lâĂ©quipe CODIASE ainsi quâĂ tout le personnel du LAPLACE, plus
particuliĂšrement :
Messieurs Olivier Durrieu de Madron et Jean-Marc BlaquiĂšre pour
leurs contributions
lors du montage du banc expérimental.
Les informaticiens du laboratoire, Messieurs Jacques Benaioun,
David Bonnafous et
Jean Hector pour le travail quâils ont fait et qui nous facilite
énormément le travail.
Je tiens de plus Ă remercier le personnel administratif du
laboratoire, de lâUniver-
sitĂ© Paul Sabatier (UPS) et de lâĂ©cole doctorale GEET, leur travail
et leur disponibiliténous a permis de faciliter toutes les tùches
administratives. Un grand merci donc Ă CĂ©-
cile Daguillanes, Valérie Schwarz, Catherine Moll Mazella, Carine
Bastie, Marie Estruga,
Catherine Stasiulis ainsi quâElisabeth Merlo et Djamila
Janati.
Au cours de mes travaux de thĂšse jâai eu aussi lâoccasion dâavoir
une tĂąche dâen-
seignement dâabord en tant que moniteur pendant 3 annĂ©es puis en
tant quâATER au
dĂ©partement GEA de lâINP-ENSEEIHT. Je tiens alors Ă remercier les
responsables du dé-
partement Mme Maria Pietrzak-David puis M. Jean François Rouchon et
lâĂ©quipe du BE
Automatique et Informatique Industrielle, Stephane Caux, Bruno
Sareni, Pascal Maus- sion, Marcel Grandpierre, Antoine Picot, Amine
Jaafar. Ainsi que tous ceux avec qui jâai
eu lâoccasion dâenseigner : Baptiste Trajin, JĂ©rĂ©mi RĂ©gnier,
Guillaume Gateau, Ana-Maria
Llor.
Un grand merci Ă tous les doctorants, postdoctorants et stagiaires
du LAPLACE avec
qui jâai passĂ© ces quatre derniĂšres annĂ©es. Merci Ă Mounir (qui me
suit oĂč je suis, va
savoir, depuis plus de 10 ans !), Alaric avec qui jâai apprĂ©ciĂ© de
partager mon bureau
durant ces annĂ©es, merci Ă lui pour toutes les activitĂ©s quâil
organise réguliÚrement. Merci
aussi Ă Julien (tu nous as quand mĂȘme Ă©normĂ©ment faits rire),
Mestapha, Chrif, Mehdi,
Nacereddine, Yacine (futur Ă©diteur en chef), Mouloud (au 5Ăšme Ă©tage
quand tu veux !),
vi
Aurélien, Ahmed, Abderrahmane, Madiha, Ibtissem, Thomas,
Alexandre.
Merci aux anciens : Aziz, Adnane, Majid, Damien, SĂ©bastien, Meriem,
Baptiste, Ziad,
Labo, Makara, Bernardo, CĂ©line, Delphine, Anthony et tous ceux que
je nâai pas citĂ©,
mais avec qui jâai eu le plaisir de partager de bons moments.
Un remerciment à tous les enseignants qui ont participé à ma
formation, sans oublier
tous mes amis, particuliĂšrement Tahar, SaĂŻd, Amine, Sidali, Hacen,
Ghani et Racim.
Enfin, je dédicace ce travail à ma famille : ma mÚre, mon pÚre, ma
sĆur, mes frĂšres et
leurs familles, qui mâont moralement soutenu malgrĂ© la distance qui
nous sépare. Je les
remercie du fond du cĆur.
vii
Introduction générale 1
1 Ătat de lâart 5 1.1 Introduction . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Ăvolution technologique dans la traction ferroviaire
Ă©lectrique . . . . . . . . . 6
1.2.1 Ălectrification . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Moteurs de traction . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 8 1.2.3 Composants de puissance
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.4
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 12
1.3 De la traction centralisée à la traction répartie
. . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.1 La traction
répartie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 13
1.3.1.1 Avantages . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 13 1.3.1.2 Inconvénients . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 Les diffĂ©rentes structures du point de vue dâensemble
convertisseurs/- moteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.3 Structure Multi-convertisseur/Multi-machine . .
. . . . . . . . . . . . 14
1.3.4 Structure Mono-onduleur/Multi-machine (systĂšmes
multi-machines) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 14
1.3.5 Structure Mixte . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 15 1.4 Les perturbations et
dĂ©faillances dâune chaĂźne de traction Ă©lectrique . . . . . .
16
1.4.1 Les perturbations externes . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 16 1.4.2 Les perturbations
internes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 ModĂ©lisation et commande dâune chaĂźne de traction
Ă©lectrique asynchrone 23 2.1 Introduction . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.2 Etage dâentrĂ©e . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3 Machine asynchrone
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 24 2.3.1 Les Ă©quations Ă©lectriques . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 24
TABLE DES MATIĂRES
2.3.2 Les équations électromagnétiques . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 28 2.3.3 LâĂ©quation mĂ©canique
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.4
Commandes de la machine asynchrone . . . . . . . . .
. . . . . . . . 29
2.3.4.1 Le contrĂŽle vectoriel . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 29 2.3.4.2 Le contrĂŽle vectoriel Ă flux
rotorique orienté . . . . . . . . . 29
2.4 Onduleur de tension . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4.1 ModÚle triphasé
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.2 ModÚle biphasé dans le plan complexe . . . . .
. . . . . . . . . . . . 36 2.4.3 Commande rapprochĂ©e dâun
onduleur triphasé . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.3.1 Modulation de Largeur dâImpulsion (MLI) . . .
. . . . . . . 39 2.4.3.2 Pleine onde . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.4.3.3 Application Ă
la traction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5 Partie mĂ©canique : transmission dâeffort . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.5.1 Modélisation
simplifiĂ©e dâun bogie . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 44
2.5.1.1 Sans perte dâadhĂ©rence . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 46 2.5.1.2 Avec perte dâadhĂ©rence .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 Commande des systémes multi-onduleurs/multi-machines
asynchrones dé- diés à la traction ferroviaire 49 3.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 49 3.2 Commande de systĂšme
biconvertisseur/bimachine asynchrone . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 49 3.3 Commandes coopératives de
systĂšme
mono-onduleur/bimachine asynchrone . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 52
3.3.1 Commandes coopératives pondérées . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 54 3.3.1.1 La Commande Moyenne Simple
(CMS) . . . . . . . . . . . . 54 3.3.1.2 La Commande
MaĂźtre Esclave (CME) . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.2 La Commande Moyenne Différentielle (CMD) . . . .
. . . . . . . . . . 58 3.3.2.1 SynthĂšse de la Commande Moyenne
Différentielle . . . . . 59 3.3.2.2 ContrÎle du couple moyen
diffĂ©rentiel sur lâaxe d . . . . . . . 66 3.3.2.3
ContrÎle du couple moyen différentiel sur
lâaxe q . . . . . . . 66 3.3.2.4 ContrĂŽle
du couple moyen différentiel sur les deux axes d et
q 69 3.3.2.5 RĂ©capitulatif des
différentes possibilités de la commande CMD 69 3.3.2.6
Utilisation de la commande CMD comme stratĂ©gie dâanti-
patinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 69 3.4 Commande de systĂšme
multi-convertisseur/multi-machine asynchrone . . . . . 72
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4 ContinuitĂ© de service dâune chaĂźne de traction rĂ©partie
77 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2 La
reconfiguration de commandes dâun systĂšme bionduleur/bimachine
asynchrone 77
4.2.1 Reconfiguration de la Commande Individuelle Ă la
commande MaĂźtre Esclave CI ââ CME . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.2 Reconfiguration de la Commande Individuelle Ă la
Commande Moyenne
Simple CI ââ CMS . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 794.2.3 Reconfiguration de la
Commande Individuelle à la Commande Moyenne Différentielle C
I ââ CMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 79
TABLE DES MATIĂRES
4.2.4 Stratégie proposée pour la Reconfiguration de commande
dâun systĂšme bionduleur/bimachine Ă un systĂšme
mono-onduleur/bimachine virtuel . 80
4.3 ContinuitĂ© de service dâune traction rĂ©partie . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.3.1 Reconfiguration de
structure de commande . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3.1.1 Lâorgane dĂ©cisionnel . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 84
4.3.1.2 Diagramme dâĂ©tats . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 84 4.3.1.3 Interaction de lâorgane
décisionnel avec la chaßne de traction . 88
4.3.2 Exploitation de la redondance analytique et
structurelle . . . . . . . . 91 4.3.2.1 Redondance
Analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3.2.2 Redondance structurelle naturelle . . . . . .
. . . . . . . . . 105
4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5 De la simulation Ă lâimplĂ©mentation temps rĂ©el des
algorithmes de contrĂŽle109 5.1 Introduction . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.2
Description du banc expérimental . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.1 Partie puissance . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 1115.2.1.1 Redresseur . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.1.2
Onduleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 111 5.2.1.3 Moteurs asynchrones et variateurs
industriels . . . . . . . . . 111
5.2.2 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 111 5.2.3 Module de commande
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
112
5.3 Etapes de validation des stratégies de commande .
. . . . . . . . . . . . . . . 115 5.3.1 Simulation dans
lâenvironnement SABER . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3.2 Simulation Hardware-in-the-Loop . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 116
5.3.2.1 Comparaison des réponses du modÚle et du systÚme
réel . . . 116 5.3.2.2 Implémentation de la commande
vectorielle sur FPGA . . . . 117
5.4 Description de lâĂ©mulateur de la partie mĂ©canique dâune
chaĂźne de traction . . 119 5.5 RĂ©sultats
expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 121
5.5.1 Phase de démarrage . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 121 5.5.2 Broutement . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.5.3
DĂ©collement du pantographe . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 124 5.5.4 Perte dâadhĂ©rence . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.5.5
Comparaison de la simulation avec lâexpĂ©rimentation . . . .
. . . . . . 128
5.6 Perspectives pour le banc dâessai . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.6.1 Implémentation des
lois de commande sur FPGA . . . . . . . . . . . . 130 5.6.2
Extension Ă un banc dâessai pour une chaĂźne de traction
répartie . . . . 132
5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Annexes 139
Bibliographie 145
Acronymes 157
Table des figures
1.1 Estimation des émissions spécifiques de C O2 des
différents modes de trans- port de passagers et de fret en 1995 et
2010 (Source : EEA) . . . . . . . . 5
1.2 Ălectrification 2 Ă 25kV . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3 Traction centralisée . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.4
Traction répartie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 13
1.5 Structure Multi-convertisseur/Multi-machine . . . . . . . . . .
. . . . . . . 15 1.6 Structure Mono-onduleur/Multi-machine . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 15 1.7 Structure Mixte . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.8
Variation du coefficient dâadhĂ©rence ” en fonction du
glissement et de lâĂ©tat
du rail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 17 1.9 Synoptique dâun contrĂŽle dâadhĂ©rence Ă base
dâestimateurs et/ou dâobser-
vateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 18 1.10 Synoptique dâun contrĂŽle dâadhĂ©rence Ă base
de modĂšle . . . . . . . . . . . 18 1.11 DĂ©tection et isolation des
défauts de capteurs basées sur les observateurs . 20
2.1 Description dâune chaĂźne de traction ferroviaire . . . . . . .
. . . . . . . . 23 2.2 Filtre dâentrĂ©e . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3 Représentation
schĂ©matique dâune machine asynchrone triphasĂ©e . . . . . . 25 2.4
ReprĂ©sentation biphasĂ©e dâune machine asynchrone . . . . . . . . .
. . . . 27 2.5 Référentiel (d, q ) lié au flux
rotorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.6 ModĂšle
de la machine asynchrone dans le repÚre (d, q ) lié
au flux rotorique 31 2.7 Structure de régulation du flux rotorique
et du couple Ă©lectromagnĂ©tique . 33 2.8 Synoptique dâun contrĂŽle
vectoriel direct à flux rotorique orienté . . . . . . 34 2.9
Structure dâun onduleur de tension triphasĂ© . . . . . . . . . . . .
. . . . . 35 2.10 ReprĂ©sentation dâun onduleur triphasĂ© dans le
plan complexe (α, ÎČ ) . . . . 37
2.11 Principe dâune commande rapprochĂ©e . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 38 2.12 Principe de la MLI intersective . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.13 Exemple MLI vectorielle .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.14
Exemple MLI à trois (3) angles précalculés . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 41 2.15 Ordres de commande des semi-conducteurs en
pleine onde . . . . . . . . . 43 2.16 Synoptique dâune chaĂźne de
transmission mécanique . . . . . . . . . . . . . 44 2.17 ModÚle
simplifié de la charge mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 45 2.18 Variation du coefficient dâadhĂ©rence ” en
fonction du glissement Μ et de la
vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 47
3.1 ChaĂźne de traction classique . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 503.2 Commande CI : Grandeurs mécaniques . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3 Commande CI : Grandeurs
moteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
TABLE DES FIGURES
3.4 Commande CI : Tension aux bornes de lâinductance
U cf et courant dans lâinductance
I Lf du filtre dâentrĂ©e . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 52
3.5 ChaĂźne de traction Mono-onduleur/Bimachine . . . . . . . . . .
. . . . . . 53 3.6 Commandes coopératives pondérées . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 54 3.7 Commande CMS : Grandeurs
mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.8 Commande CMS
: Grandeurs moteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.9
Commande CME (Moteur M2 maßtre) : Grandeurs mécaniques . . . . . .
. 57 3.10 RĂ©ponses en flux et en couple correspondant Ă la
commande C ME , moteur
M 2-MaĂźtre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 58 3.11 Commande CME (Moteur M2 maĂźtre) :
Couples électromagnétiques . . . . 58 3.12 Représentation des
courants statoriques et magnétisants dans le repÚre
(d, q ) liĂ© au flux rotorique moyen dâun systĂšme
mono-onduleur/bimoteur. . 61 3.13 Structure de la Commande Moyenne
Différentielle - Actions sur les axes d
et q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.14 Commande moyenne
différentielle avec kq = 0 . . . . . . . . .
. . . . . . . 67
3.15 Commande moyenne différentielle avec kd = 0
. . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.17 Comparaison des amplitudes
des oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.16 Commande
moyenne différentielle avec kd = 0.003 . . . . .
. . . . . . . . . 70 3.18 Commande CMD (kd =
0.003, kq = 2) : Grandeurs mécaniques . . . . . .
71 3.19 Commande CMD (kd = 0.003, kq = 2) :
Grandeurs moteurs . . . . . . . . 71 3.20 Adaptation du couple de
référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.21
Commande CMD (kd = 0.003, kq = 1) avec
adaptation de Îâ
em : Grandeurs mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.22 Commande CMD (kd = 0.003, kq = 1) avec
adaptation de Îâ em : Grandeurs
moteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 73
3.23 Architecture monoconvertisseur virtuel/bimachine asynchrone .
. . . . . . 74 3.24 Commande de systĂšme
multi-convertisseur/multi-machine asynchrone . . . 75
4.1 Reconfiguration de la Commande Individuelle
CI Ă la commande MaĂźtre Esclave C M
E m1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 78
4.2 Reconfiguration de la Commande
Individuelle CI Ă la Commande Moyenne Simple
CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 79
4.3 Reconfiguration de la Commande
Individuelle CI Ă la Commande Moyenne
Différentielle CMD à t = 30s . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4 Vitesses des moteurs en phase de démarrage avec la Commande
Individuelle
(CI ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 804.5 Courants statoriques dans le repĂšre
(α, ÎČ ) Ă diffĂ©rents instants (t1 = 30s,
t2 = 30.2s et t3 = 35s) lors de la commutation
de commandes . . . . . . . 81
4.7 Synoptique dâun systĂšme de contrĂŽle tolĂ©rant aux fautes . . . .
. . . . . . 82 4.6 Commutation de la Commande Individuelle Ă la
Commande Moyenne Dif-
fĂ©rentielle avec la stratĂ©gie CI â CMS â CMD
. . . . . . . . . . . . . . . 83 4.8 Lâorgane dĂ©cisionnel . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.9 Diagramme
dâĂ©tats Ă©clatĂ©s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 86 4.10 Diagramme dâĂ©tats pour la perte dâadhĂ©rence des deux
moteurs . . . . . . 87 4.11 Diagramme dâĂ©tats avec conditions sur
les transitions . . . . . . . . . . . . 88
4.12 Chronogramme des perturbations appliquées . . . . . . . . . .
. . . . . . . 884.13 Chronogramme de lâĂ©tat de lâorgane dĂ©cisionnel
et du changement de com- mandes appliquées . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
TABLE DES FIGURES
4.14 Interaction entre lâorgane dĂ©cisionnel et la chaĂźne de
traction : Grandeurs Ă©lectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.15 Interaction entre organe décisionnel et la chaßne de traction
: Grandeurs mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 90
4.16 Robustesse vis-à -vis du bruit et de perturbations simultanées
: Grandeurs moteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 90
4.17 Robustesse vis-à -vis du bruit et de perturbations simultanées
: Grandeurs mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 91
4.18 Utilisation de la redondance analytique (EAP) dans le cas
dâune perte dâun capteur de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.19 Redondance analytique EAP : Grandeurs moteurs . . . . . . . .
. . . . . . 93 4.20 Principe du mécanisme adaptatif [Sch 92] . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.21 Redondance analytique EAP :
Grandeurs mécaniques . . . . . . . . . . . . 94 4.22 Utilisation de
la redondance analytique (MRAS) dans le cas dâune perte
dâun capteur de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 95
4.23 Redondance analytique MRAS : Grandeurs mécaniques . . . . . .
. . . . . 96 4.24 Redondance analytique MRAS : Grandeurs moteurs .
. . . . . . . . . . . . 97 4.25 Observateur mécanique à structure
variable . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.26 Redondance
analytique OMSV : Grandeurs mécaniques . . . . . . . . . . . 99
4.27 Utilisation de la redondance analytique (OMSV) dans le cas
dâune perte
dâun capteur de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 100 4.28 Redondance analytique (OMSV) avec adaptation
de la dynamique . . . . . 100 4.29 Redondance analytique OMSV avec
adaptation de la dynamique : Gran-
deurs mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 101 4.30 Redondance analytique OMSV avec adaptation
de la dynamique : Gran-
deurs moteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 102 4.31 Chronogramme de commutation dâobservateur .
. . . . . . . . . . . . . . . 102 4.32 Redondance analytique avec
commutation dâobservateur . . . . . . . . . . 103 4.33 Redondance
analytique avec commutation dâobservateur : Grandeurs moteurs103
4.34 Redondance analytique avec commutation dâobservateur :
Grandeurs mé-
caniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 104 4.35 Principe de la redondance structurelle . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.36 Utilisation de la
redondance structurelle dans le cas dâune perte dâun cap-
teur de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 105 4.37 Redondance structurelle : Grandeurs
mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.38 Redondance structurelle : Grandeurs moteurs . . . . . . . . .
. . . . . . . 107
5.1 Vue dâensemble de la maquette expĂ©rimentale . . . . . . . . . .
. . . . . . 110 5.2 Synoptique de la partie puissance . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.3 Synoptique générale de
lâunitĂ© de commande (dSPACE) . . . . . . . . . . . 113 5.4
Synoptique de la répartition des tùches entre le processeur PowerPC
et le
FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 114 5.5 Synoptique de simulation du systĂšme . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.6 Comparaison réponse du
systÚme réel et du modÚle avec un contrÎle vec-
toriel implémenté sur la carte PPC DS1005 . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 117
5.7 ContrÎle vectoriel implémenté sur la cible FPGA : visualisation
des va-riables de la MAS et des ordres de commandes MLI . . . . . .
. . . . . . . 118 5.8 ContrÎle vectoriel implémenté sur cible FPGA
: visualisation sur PC . . . . 118
TABLE DES FIGURES
5.9 Synoptique de la simulation HIL de lâimplĂ©mentation de la
commande sur FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 119
5.10 Structure de lâĂ©mulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 120 5.11 Organigramme de fonctionnement de
lâĂ©mulateur . . . . . . . . . . . . . . 120 5.12 Comportement de
lâĂ©mulateur en phase de dĂ©marrage . . . . . . . . . . . . 121
5.13 Résultats expérimentaux (Broutement) : Grandeurs de
lâĂ©mulateur de la chaĂźne de traction . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.14 Résultats expérimentaux (Broutement) : Grandeurs moteurs . . .
. . . . . 123 5.15 Densité spectrale de puissance du couple
Ă©lectromagnĂ©tique dâun moteur . 124 5.16 CaractĂ©ristiques de lâĂ©tat
du rail émulé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.17
Chronogramme des changements de coefficients dâadhĂ©rence maximale
et
de commandes appliqués . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 125 5.18 Résultats expérimentaux : Grandeurs de
lâĂ©mulateur de la chaĂźne de traction126 5.19 RĂ©sultats
expérimentaux : Grandeurs moteurs . . . . . . . . . . . . . . . .
127 5.20 Densité spectrale de puissance du couple électromagnétique
(M1) . . . . . 128
5.21 CaractĂ©ristiques de lâĂ©tat du rail en simulation . . . . . . .
. . . . . . . . . 128 5.22 Comparaison simulation/expérimentation :
Grandeurs de la partie méca-
nique de la chaĂźne de traction (simulation : kd = 0.02
et kq = 15, Ă©mula- teur : kd =
3 et kq = 10) . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 129
5.23 Comparaison simulation/expérimentation : Grandeurs moteurs
(simula- tion : kd = 0.02 et kq =
15, Ă©mulateur : kd = 3 et kq =
10) . . . . . . . . . 129
5.24 Synoptiques des commandes dâun systĂšme
biconvertisseur/bimoteur implé- mentées sur FPGA . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.25 Chronogramme de la commande dâun systĂšme
biconvertisseur/bimoteur implémentée sur FPGA . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.26 Extension du banc dâessai Ă une chaĂźne de traction rĂ©partie .
. . . . . . . . 132
http://slidepdf.com/reader/full/these-achour-tahar 20/183
Introduction générale
Les progrÚs faits et les perspectives envisagées dans les
différents domaines du gé-
nie Ă©lectrique et de lâautomatique prĂ©sagent une Ă©volution
fulgurante dans le secteur des
transports, plus particuliĂšrement dans la traction ferroviaire
électrique. En plus des défies
technologiques auxquels le secteur de la traction Ă©lectrique, en
tant que systĂšme embar-
quĂ© est confrontĂ©, lâamĂ©lioration des performances, de la fiabilitĂ©
et de la disponibilitĂ© des systĂšmes est lâune des prĂ©occupations
les plus importantes des concepteurs et des
exploitants. Dans la propulsion ferroviaire Ă©lectrique, pour
répondre à ces exigences, le
secteur sâoriente de plus en plus vers une architecture de la
traction répartie qui permet
dâavoir plus de degrĂ©s de libertĂ© vis-Ă -vis des perturbations et
des défaillances susceptibles
dâaffecter le systĂšme.
Dans les travaux effectuĂ©s dans cette thĂšse, on sâintĂ©resse
principalement aux avan-
tages que peut amener une traction ferroviaire Ă©lectrique
asynchrone répartie à travers les
degrĂ©s de libertĂ© additionnels quâelle apporte sur la mĂ©thodologie
de la commande des sys- tĂšmes multi-convertisseurs/multi-machines
Ă©quipĂ©s de charges liĂ©es. Lâobjectif principal
est dâassurer la continuitĂ© de service ou un meilleur
fonctionnement possible du systĂšme
en présence de certaines défaillances ou perturbations externes
telles que la perte dâadhĂ©-
rence, le broutement ou la perte de capteurs mécaniques. La
tolérance aux défauts de
capteur mécanique des stratégies de commande adoptées sera abordée,
dâune part par
lâintroduction de commande sans capteur (redondance analytique) et
dâautre part par
lâexploitation de la redondance structurelle quâoffre naturellement
la traction répartie (re-
dondance structurelle naturelle). Cette Ă©tude nous amĂšnera Ă la
conception dâun organe
décisionnel qui apportera les adaptations, les reconfigurations de
commandes et voire dâob-
servateurs nécessaires pour maintenir la continuité de service du
systĂšme fonctionnant en
mode dégradé.
Le premier chapitre est dĂ©diĂ© Ă lâĂ©tat de lâart de la traction
Ă©lectrique. LâĂ©volution
technologique effectuée dans ce domaine, plus particuliÚrement sur
lâĂ©lectrification des
lignes, les moteurs de traction et lâĂ©lectronique de puissance est
ainsi exposée. Les diffé-
rentes structures du point de vue dâensemble convertisseurs/moteurs
quâon peut trouver
que ce soit dans une architecture de traction concentrée ou
répartie sont présentées avant
dâintroduire les diffĂ©rentes perturbations et dĂ©faillances qui
peuvent les affectées.
Dans le deuxiĂšme chapitre "ModĂ©lisation et commande dâune chaĂźne de
traction Ă©lec-
1
http://slidepdf.com/reader/full/these-achour-tahar 21/183
Introduction générale
trique asynchrone", la modĂ©lisation en vu dâune commande du systĂšme
est faite. Ainsi
nous présentons les différentes parties constituant la chaßne de
traction asynchrone. Nous
nous focalisons principalement sur la commande dâun ensemble
"onduleur/moteur asyn-
chrone", en retenant une stratĂ©gie de contrĂŽle bien connue, Ă
savoir le contrĂŽle vectoriel Ă
flux rotorique orientĂ©. La commande rapprochĂ©e de lâonduleur de
tension à deux niveaux est également exposée. Il est à noter que
les différentes structures de commande adoptées
pour les systÚmes "multi-onduleurs/multi-moteurs" présentées par la
suite se basent sur
ce contrÎle vectoriel. La partie mécanique permettant la
transmission de lâeffort de trac-
tion a aussi été introduite et sa modélisation simplifiée est prise
comme référence pour
la conception dâun Ă©mulateur dâun bogie de traction. LâĂ©mulation
dâun couple de charge
fait partie intĂ©grale de cette Ă©tude, dans la mesure oĂč dans un
laboratoire académique,
il nâest pas toujours possible de retrouver les conditions de
fonctionnement du systĂšme.
Cette émulation permettra par la suite une validation expérimentale
des stratégies de commande proposées.
Le troisiĂšme chapitre sâintĂ©resse Ă la commande des systĂšmes
multi-convertisseurs/multi-
machines utilisés dans la traction ferroviaire. Les différentes
structures de commande pos-
sibles, coopératives pondérées ou moyennes différentielles, sont
exposées. Par rapport à la
commande moyenne différentielle déjà étudiée, celle présentée dans
cette étude a été modi-
fiĂ©e afin de contribuer dâune façon plus efficace Ă la
problĂ©matique de la perte dâadhĂ©rence.
Le comportement du systÚme avec ces différentes structures de
commande est analysé
dâabord dans le cas du fonctionnement nominal, sans perturbation,
et ces performances sont examinées en présence de perturbations
mĂ©caniques telles que la perte dâadhĂ©rence
et le broutement. Ces perturbations ont une grande influence sur le
comportement du
systĂšme. Ces conditions de travail doivent ĂȘtre Ă©tudiĂ©es car elles
sont caractérisées par un
fort couplage électromécanique entre les différentes unités de
traction.
La problĂ©matique de la continuitĂ© de service dâune chaĂźne de
traction répartie est
introduite au quatriĂšme chapitre. Dans le cas des perturbations
externes, les différentes
structures de commande possibles seront mises Ă contribution pour
assurer un fonction-
nement satisfaisant du systÚme. En définitive, nous cherchons une
commande tolérant
les perturbations et/ou défauts, améliorant la fiabilité
fonctionnelle de ce systĂšme. Un
organe dĂ©cisionnel a Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ©. Il permet dâassurer les
différentes reconfigurations de
la commande, adaptées à la perturbation agissant sur le systÚme et
modifiants ses carac-
téristiques. Dans le cas des défauts de capteur mécanique,
différentes méthodes basées
sur des estimateurs et observateurs partiels introduisant une
redondance analytique sont
comparées par rapport à la redondance structurelle naturelle
quâoffre la traction rĂ©partie.
Les compatibilitĂ©s et lâefficacitĂ© de ces mĂ©thodologies et leurs
actions en présence des
perturbations mécaniques ont été examinées.
Le cinquiĂšme et dernier chapitre "De la simulation Ă
lâimplĂ©mentation temps rĂ©el des
algorithmes de contrÎle" présente le banc expérimental développé au
cours de cette thĂšse
2
http://slidepdf.com/reader/full/these-achour-tahar 22/183
Introduction générale
afin de valider les diffĂ©rentes structures de commande. Il sâagit
dâun modĂšle rĂ©duit dâun
bogie de train. Le couplage mécanique "présence du rail" sera
reconstituĂ© par lâĂ©mulateur
de couple de charge. La méthodologie qui nous a permis de tracer la
feuille de route entre
la simulation fine du systĂšme Ă lâexpĂ©rimentation avec les
commandes implémentées sur
la plate-forme expérimentale est aussi exposée dans cette partie.
Enfin, le travail effectué dans cette thÚse est synthétisé dans la
conclusion et les pers-
pectives et les Ă©volutions Ă apporter Ă cette contribution
concluent ce mémoire.
3
1.1 Introduction
La traction ferroviaire Ă©lectrique nâa cessĂ© dâĂ©voluer depuis ses
débuts à la fin du XIX e siÚcle. Les progrÚs faits et les
perspectives envisagées dans les différents domaines en relation
avec la traction Ă©lectrique prĂ©sagent un intĂ©rĂȘt croissant pour ce
mode de transport. Ceci est fortement lié aux changements rapides
et aux prĂ©occupations de la sociĂ©tĂ© oĂč les besoins et les exigences
en termes de mobilité, de performance, de sécurité et de confort
sont grandissants et font face aux enjeux Ă©conomiques et
environnementaux en termes dâefficacitĂ© Ă©nergĂ©tique et de
pollution. Le secteur des transports est lâun des principaux
contributeurs à la pollution atmosphérique et aux émissions de gaz
Ă effet de serre. En 2009 les transports dans lâEU-27 reprĂ©sentent
25% des émissions de gaz à effet de serre (Source Agence Européenne
pour lâEnvironnement EEA), ce qui donne un avantage considĂ©rable Ă
la traction Ă©lectrique qui est lâun des modes de transport les
moins Ă©metteurs de C O2 (fig. 1.1).
Avant dâentreprendre les travaux effectuĂ©s au cours de la thĂšse, ce
chapitre est consacrĂ© Ă lâĂ©tat de lâart de la traction Ă©lectrique
oĂč les Ă©volutions technologiques et tendances sont prĂ©sentĂ©es avant
dâintroduire la traction Ă©lectrique rĂ©partie et les dĂ©faillances et
perturbations qui peuvent affecter un tel systĂšme.
1995 2010 0
20
40
60
80
100
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140
160
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E m i s
s i o n
s C O
2
[ g / p
k m ]
1995 2010 0
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E m i s
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s C O
2
( g
/ t k m
(b) Transport de marchandises par tonne-km
Figure 1.1 â Estimation des Ă©missions spĂ©cifiques de C
O2 des différents modes de trans-
port de passagers et de fret en 1995 et 2010 (Source : EEA)
Ătat de lâart
de fer ont été développés et exploités. Les changements se sont
faits au fur Ă mesure des progrĂšs dans le domaine de
lâĂ©lectrotechnique. Le tableau 1.1 rĂ©sume les diffĂ©rentes tensions
et fréquences principales utilisées pour la traction dans le monde.
Le premier réseau utilisé était en courant continu, ceci est
essentiellement dû aux moteurs utilisés au début de la traction
Ă©lectrique. La basse tension Ă courant continu (600 ou
750V ) sâest
alors imposée pour les transports urbains ou suburbains (métro,
tramway et trolleybus). Pour la grande traction, deux tendances ont
été adoptées, à savoir la basse tension à courant continu de
1.5kV ou 3kV et la haute tension
alternative monophasé 15kV à basse fréquence
16 2/3Hz .
âą La basse tension Ă courant continu de
1.5kV ou de 3kV a été choisie
pour la sim- plicitĂ© de la conversion dâĂ©nergie Ă bord des trains,
ce qui rĂ©solvait le problĂšme de lâencombrement et du poids des
locomotives. LâinconvĂ©nient principal de cette solu- tion est la
complexité des équipements de ligne. Cette solution a était adoptée
entre autres en France, en Italie, en Espagne et en Belgique.
⹠La haute tension alternative monophasé
15kV de faible fréquence 16
2/3Hz a été choisie pour des raisons de simplicité et
dâĂ©conomie. La frĂ©quence a Ă©tĂ© limitĂ©e par les moteurs Ă
commutation utilisés. Les réseaux électriques des chemins de fer
sont alors gĂ©rĂ©s par des centrales Ă©lectriques sĂ©parĂ©es oĂč on
utilise des convertisseurs de fréquence, 1/3 de la
fréquence standard 50Hz des réseaux de
distribution a été choisie.
Dans les annĂ©es 1930, des tentatives dâutilisation dâinstallations
à courant alternatif monophasé à fréquence
industrielle 50Hz ont été effectuées en Hongrie,
puis en Allemagne.
Les limites de lâĂ©lectrification Ă basse tension Ă courant continu
ont conduit la France à la fin des années 1950 à adopter la tension
monophasée à fréquence industrielle. La premiÚre ligne exploitée
est la transversale Nord-Est, Valenciennes - Thionville. La percée
du courant alternatif à fréquence standard a été confortée par
lâĂ©volution faite dans le domaine de lâĂ©lectronique de puissance.
Depuis, la tension alternative de
25kV , 50Hz sâest imposĂ©e en Europe pour
devenir le standard dans les nouvelles lignes, particuliĂšrement les
lignes Ă grande vitesse (LGV).
Avec la multiplication des tensions utilisĂ©es dans une mĂȘme rĂ©gion,
des locomotives multi-tensions ont vu le jour. La premiĂšre
locomotive européenne bicourant (1500V continu et
25kV 50Hz ), la BB 22000 a été livrée par
Alstom et MTE Ă la SNCF Ă la fin de lâan-
nĂ©e 1976. Avec lâextension des interconnexions entre les diffĂ©rents
réseaux ferroviaires, les nouveaux systÚmes de traction électrique
ont été amenés à supporter de plus en plus les différentes
alimentations.
La tendance actuelle pour les LGV est lâutilisation de
lâalimentation 2Ă25kV (fig. 1.2). Des
sous-stations avec transformateur 50kV avec un
point milieu alimente la caténaire avec le +25kV , le
feeder avec le â25kV , et le point milieu au potentiel
du rail qui est mis à la terre. La tension entre la caténaire et le
feeder est de 50kV mais lâalimentation du train
reste toujours Ă +25kV . Cela permet dâune part, de
réduire les pertes par effet Joule et le nombre de sous-stations en
utilisant des autotransformateurs à des intervalles réguliers entre
deux sous-stations. Dâautre part, cette technique dâalimentation
réduit
les interfĂ©rences Ă©lectromagnĂ©tiques grĂące Ă lâopposition de phase
entre la caténaire etle feeder. La SNCF a eu recours à cette
variante de lâalimentation 25kV
50Hz pour la premiĂšre fois sur la ligne du TGV Sud-Est
en 1981 [Pro 09].
1.2.2 Moteurs de traction
La traction électrique a subit des changements considérables tous
au long de son dĂ©veloppement. Du dĂ©but et jusquâĂ il y a moins
dâune trentaine dâannĂ©es, le moteur Ă
commutation a été largement utilisé. Alimenté par une source de
tension continue variable ou par une source de tension monophasée
alternative variable à basse fréquence, généra- lement du
162
3 Hz , son rendement a été faible à cause des contrÎles. Cette
solution a été
utilisĂ©e jusquâĂ lâapparition des convertisseurs statiques dĂšs le
début des années 1970 avec le développement des diodes et des
thyristors de puissance. LâĂ©volution grandissante dans le domaine
de lâĂ©lectronique de puissance et de lâĂ©lectronique de commande ont
permis dâamĂ©liorer lâefficacitĂ© de la traction Ă©lectrique en
remplaçant les convertisseurs électro- mécaniques par des
convertisseurs statiques et par la suite les moteurs Ă courant
continu par des moteurs à courant alternatif triphasé. Deux
solutions ont alors été envisagées :
âą Le moteur synchrone Ă rotor bobinĂ© sâest alors imposĂ© comme
choix en France parrapport au moteur asynchrone essentiellement Ă
cause de la simplicité des ondu- leurs de courant à thyristors
utilisés pour leur alimentation. Comparativement aux onduleurs de
tension pour les moteurs asynchrones, les onduleurs utilisés pour
les moteurs synchrones ne nécessitent pas de circuits auxiliaires
dâextinction des thyris- tors. Le moteur synchrone a Ă©tĂ© alors
utilisé dÚs 1988 dans la locomotive BB26000 et le TGV de seconde
génération Atlantique. Le moteur synchrone bobiné avait alors les
avantages suivant :
â Plus simple et plus lĂ©ger ; â Facteur de puissance
plus important, supérieur à 0, 95 ;
â Couple de dĂ©marrage Ă©levĂ© ;â Onduleur ne nĂ©cessitant
pas de circuits auxiliaires dâextinction ; â Absence de
collecteurs.
⹠Le moteur asynchrone a été choisi dans le reste de
lâEurope. Les premiĂšres Ă©tudes sur son utilisation dans la traction
ont commencĂ© dĂšs lâannĂ©e 1965 essentiellement en Allemagne. La
Deutsche Bahn a mis en service en 1979, la premiĂšre locomotive
universelle E120 class utilisant des moteurs asynchrones. En 1985,
la machine asyn- chrone commence Ă ĂȘtre utilisĂ©e sur le prototype
de train Ă grande vitesse InterCity Experimental (ICE) dont la
technologie va ĂȘtre exploitĂ©e dĂ©s lâannĂ©e 1991 avec la mise en
service de la premiĂšre gĂ©nĂ©ration de lâInterCity Experss
ICE1.
Grùce à sa robustesse, son faible coût de fabrication et
dâentretien, de sa puissance massique Ă©levĂ©e et surtout avec le
dĂ©veloppement rapide quâa connu lâĂ©lectronique de
8
Ătat de lâart
puissance et lâapparition des thyristors GTO (Gate Turn-Off
Thyristor) dĂšs le dĂ©but des annĂ©es 1990, le choix de lâutilisation
des moteurs asynchrones en traction électrique a été conforté et
sâest rapidement imposĂ©. Ainsi, le train Japonais Ă grande vitesse
Shinkansen passe à la motorisation asynchrone dans la série 300
dans lâannĂ©e 1992 avec lâutilisation de thyristors GTO. Cette
tendance sâest imposĂ©e alors dĂšs lâannĂ©e 1995 avec lâEurostar
et maintenant sur le TGV POS et la génération Dasye du TGV Duplex,
avec lâutilisation dâIGBT.
La tendance actuelle est lâutilisation de moteurs synchrones Ă
aimants permanents (PMSM : Permanent Magnet Synchronous Motor). Les
PMSM ont les avantages suivants par rapport aux moteurs asynchrones
:
âą Plus compacts, ils occupent moins dâespace dâoĂč la
possibilité donnée de les intégrer au plus prÚs des roues, bogies
...;
âą Un meilleur rendement (98% au lieu de 96 â
97% pour les moteurs Ă induction traditionnels).
âą Rapport puissance poids supĂ©rieur Ă 1kW/kg. âą
Moteurs totalement fermĂ©s dâoĂč une rĂ©duction du bruit et des
coûts de maintenance. ⹠Auto-ventilation contrairement à la
ventilation forcée nécessaire pour les moteurs
asynchrones.
Les moteurs synchrones Ă aimants permanents ont commencĂ© Ă ĂȘtre
utilisés dans la petite traction. La premiÚre application dans le
domaine ferroviaire sâest faite en 2000 avec lâutilisation des
moteurs roue dâune puissance de 65kW sur le VAL208
[Deb 10] avant de se propager dans la grande traction
particuliĂšrement dans les trains Ă grande vitesse. Comme exemple,
on peut citer entre autres, le successeur du TGV, lâAGV
(Automotrice à Grande Vitesse), et la nouvelle génération du
Shinkansen.
Le tableau 1.2 montre lâĂ©volution technologique effectuĂ©e dans les
moteurs de traction des trains Ă grande vitesse qui a permis de
diminuer le poids, le volume et ainsi augmenter le rapport
puissance/poids pour dépasser le 1kW/kg avec
lâutilisation des PMSM. En com- parant lâAGV au TGV, lâutilisation
de moteurs PMSM dont le rapport puissance/poids est supĂ©rieur Ă
1kW/kg et dont le rendement est de 98%, peut
permettre une réduction de 6 à 7% de
lâĂ©nergie consommĂ©e [Bri 08]. Lâeffet de la rĂ©duction de la
consommation grĂące Ă lâutilisation de PMSM a aussi Ă©tĂ© mise en
Ă©vidence dans lâĂ©tude [Kaw 10] oĂč des essais effectuĂ©s sur un mĂ©tro
de Tokyo comportant deux bogies moteurs asynchrones et un bogie
moteurs synchrones, ont montré une diminution de la consommation
dâĂ©nergie de 12, 5% en traction obtenue grĂące Ă ces
moteurs.
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Ătat de lâart
1.2.3 Composants de puissance
Comme on lâa vu prĂ©cĂ©demment, lâĂ©lectronique de puissance a jouĂ© un
rĂŽle trĂšs impor- tant dans lâĂ©volution de la traction ferroviaire
Ă©lectrique. Depuis lâarrivĂ©e des diodes Ă la fin des annĂ©es 1950 et
des thyristors de puissance au début des années 1970, la
réduction
du poids des Ă©quipements et lâaugmentation des vitesses
dâexploitation des trains nâontcessĂ© de sâamĂ©liorer. Avant
lâutilisation des composants de lâĂ©lectronique de puissance, les
moteurs Ă collec-
teur étaient commandés par la variation de leur tension
dâalimentation par des commuta- teurs mĂ©caniques et des rhĂ©ostats
(rĂ©sistance variable) pour lâalimentation continue ou par des
transformateurs variables pour une alimentation Ă courant
alternatif monophasé. Les variations se faisaient alors par cran,
ce qui introduit des Ă -coups de couple qui diminuent
considĂ©rablement lâadhĂ©rence entre les roues et le rail. Dâun point
de vue énergétique, le systÚme avait une faible efficacité
énergétique due aux importantes pertes résistives aux basses
vitesses. Les diodes et thyristors de puissance ont permis par la
suite, dâintĂ©grer
les convertisseurs dans les locomotives et ainsi dâaugmenter
lâefficacitĂ© du systĂšme et derĂ©duire son poids, dâintroduire
lâalimentation monophasĂ©e Ă frĂ©quence industrielle. LâĂ©vo- lution
rapide des thyristors de forte puissance a permis alors le passage
des moteurs à courant continu aux moteurs triphasés synchrones et
asynchrones. Au début des années 1990, les thyristors GTO (Gate
Turn-Off Thyristor) qui sont commandables Ă lâamorçage mais aussi
au blocage ont simplifié les structures des onduleurs de tension et
leurs circuits auxiliaires pour lâalimentation des moteurs
asynchrones. Les systĂšmes avaient alors de meilleurs facteur de
puissance et rapport puissance/poids.
Dans les annĂ©es 2000, câest le Transistor Bipolaire Ă Grille IsolĂ©e
(IGBT) qui a com- mencĂ© Ă sâimposer dans la traction ferroviaire.
Les IGBT offraient alors des fréquences de commutation plus
élevées, de 1 à 2kH z , comparativement aux
GTO qui fonctionnaient à une fréquence
de 400 Ă 600Hz , sans oublier la simplification
des circuits de commande. Les GTO Ă©tant commandables en courant
nĂ©cessitent des circuits dâaide Ă la commutation, ce qui nâest pas
le cas des IGBT commandables en tension, ce qui se traduit par une
ré- duction significative du poids et de la taille des
convertisseurs. Lâutilisation de frĂ©quences plus Ă©levĂ©es permet
dâune part, dâattĂ©nuer le problĂšme de CEM et dâautre part, avec des
temps de commutation plus rapide, de quelques centaines de
nanosecondes, de réduire les pertes par commutation. Au début de
leur utilisation, des structures dâonduleurs de tension Ă trois
niveaux sâimposaient vues les tensions admissibles qui nâĂ©taient
que de 2 Ă 3kV . LâĂ©volution rapide de la
technologie a permis rapidement dâatteindre une tenue en tension
allant de 4 à 6, 5kV concurrençant
les GTO dans cette gamme de tension.
LâĂ©volution effectuĂ©e durant ces vingt-cinq derniĂšres annĂ©es a
permis de réduire de plus de 50% le rapport
poids/puissance des convertisseurs [Sat 10].
Ces derniÚres années, les performances des IGBT à base de Silicium
(Si) commencent à atteindre les performances théoriques en termes
de tenue en tension et de conducti- vitĂ© thermique. DâoĂč lâintĂ©rĂȘt
grandissant de la recherche sur de nouvelles générations de
composants à base de matériaux semi-conducteurs à grand gap tel que
le carbure de silicium (SiC), le Nitrure de Gallium (GaN) et le
diamant (C). Lâutilisation de ces nou- veaux matĂ©riaux permet
dâaugmenter la tenue en tension, la frĂ©quence de commutation et de
diminuer les pertes tout en amĂ©liorant lâintĂ©gration des
dispositifs [Bat 09]. En lâĂ©tat actuel dâavancement dans ce
domaine, Ă court terme, câest la technologie Ă base du SiC
qui est considérée comme la plus prometteuse pour faire des
contributions significativesdans lâĂ©lectronique de puissance. Avec
le SiC, les pertes peuvent ĂȘtre diminuĂ©es de plus de 50%
[Hos 11], les températures de jonction peuvent atteindre
plusieurs centaines de
degrés et les tenues en tension peuvent dépasser les
15kV .
1.2.4 Conclusion Dans les paragraphes précédents, nous avons
prĂ©sentĂ© lâĂ©volution technologique de
lâĂ©lectri- fication des lignes, des moteurs et de lâĂ©lectronique de
puissance. Mais il est Ă noter que lâaugmentation grandissante des
performances et de la fiabilitĂ© nâest pas due quâĂ ces Ă©lĂ©ments,
certes importants pour la traction Ă©lectrique, mais elle est aussi
due entre autres aux progrĂšs faits sur les systĂšmes de
signalisation et de communication, Ă lâaĂ©rodynamique des trains,
aux matériaux utilisés et aux nouvelles structures des bogies et
des caisses. Comme exemple, on peut citer le train pendulaire [Lac
01] développé dans plusieurs pays qui permet de circuler à des
vitesses plus Ă©levĂ©es quâun train classique sur
des lignes déjà existantes. Les rames articulées des TGV de la SNCF
et Alstom, oĂč unbogie est commun Ă deux voitures contiguĂ«s,
permettant dâune part dâaugmenter le confort en plaçant les bogies
entre les rames au lieu de les mettre sous les voitures. Cela
diminue considérablement les vibrations et les bruits ressentis par
les passagers. Dâautre part, cette structure augmente la sĂ©curitĂ©
en diminuant les consĂ©quences dâun dĂ©raillement. Dans les
paragraphes suivants nous aborderons plus en détail la solution
offerte par la traction répartie.
1.3 De la traction centralisée à la traction répartie
DÚs le début de la traction électrique à grande vitesse deux
visions ont Ă©tĂ© adoptĂ©es, Ă savoir la traction centralisĂ©e oĂč les
voitures voyageurs sont tirées ou poussées par une ou deux
locomotives placées à chaque extrémité du convoi (fig. 1.3), et la
traction rĂ©partie oĂč la puissance de traction est distribuĂ©e tout
au long de la chaßne comme cela est repré- senté sur la figure 1.4.
Le Japon avait alors privilégié la derniÚre solution pour les
trains à grande vitesse opérant sur de longues distances avec la
mise en service en 1964 du To- kaido Shinkansen, alors quâen Europe
et dans le reste des pays, la traction centralisée a été
privilĂ©giĂ©e pour le nombre rĂ©duit dâĂ©quipements donc des coĂ»ts de
fabrication et de main- tenance et le confort que procure la
séparation des voitures voyageurs des locomotives.
Mais avec les évolutions technologiques vues précédemment et la
nĂ©cessitĂ© dâaugmenter les performances, la fiabilitĂ©, la modularitĂ©
et lâefficience des trains Ă grande vitesse, la traction rĂ©partie
commence Ă sâimposer en Europe avec la mise en service en 2000 en
Allemagne de lâICE3 et rĂ©cemment de lâAGV qui sâappuient sur la
traction répartie et les technologies qui ont fait le succÚs des
versions prĂ©cĂ©dentes telle que lâarticulation des voitures pour le
TGV.
Locomotive 2Locomotive 1 Voyageurs 1 Voyageurs 2 Voyageurs 3
Voyageurs 4 Voyageurs 5 Voyageurs 6
Bogie moteur
Unité électrique 1 Unité électrique 2
Voyageurs 8Voyageurs 1 Voyageurs 2 Voyageurs 3 Voyageurs 4
Voyageurs 5 Voyageurs 6 Voyageurs 7
Bogie moteur
1.3.1 La traction répartie
Comparativement Ă la traction centralisĂ©e oĂč on parle de
locomotives, dans la traction rĂ©partie on parle dâunitĂ©s
électriques qui donnent une plus grande modularité au systÚme.
Ainsi, un train peut ĂȘtre composĂ© de plusieurs unitĂ©s Ă©lectriques,
on parle alors dâun train Ă multiples unitĂ©s Ă©lectriques (Electric
Multiple Units, EMU).
1.3.1.1 Avantages
Les principaux avantages de la traction répartie sont :
1. Une plus grande flexibilité et redondance : effectivement la
distribution de la traction le long de la chaĂźne procure au systĂšme
une plus grande modularitĂ© et fiabilitĂ©. Ainsi une dĂ©faillance dâun
élément du systÚme entraßnera une perte de traction moindre que
dans le cas dâune traction centralisĂ©e.
2. Freinage électrodynamique par récupération plus performant :
câest peut-ĂȘtre lâavan-
tage le plus important par rapport à la traction centralisée. La
disponibilitĂ© dâun freinage rĂ©gĂ©nĂ©ratif sur plusieurs essieux
moteurs permet ainsi dâamĂ©liorer lâefficacitĂ© du freinage par
rĂ©cupĂ©ration et de limiter lâutilisation du freinage mĂ©canique aux
basses vitesses pour lâarrĂȘt complet du train. LâĂ©tude [Sat 10]
compare le freinage entre un train EMU à traction répartie
(Shinkansen Serie 300) et un TGV-A à trac- tion centralisée. Elle
montre que la traction rĂ©partie permet dâavoir un gain de 46%
de lâĂ©nergie de freinage nĂ©cessaire. Des Ă©tudes rĂ©centes [Ter 12]
se focalisent sur la commande coopérative des différents modes de
freinage, rĂ©gĂ©nĂ©ratif et mĂ©caniques afin dâaugmenter les
performances et optimiser lâutilisation du freinage
rĂ©gĂ©nĂ©ratif pour diminuer la consommation de lâĂ©nergie.
3. Meilleures performances dâaccĂ©lĂ©ration et de freinage : ceci est
dĂ» essentiellementĂ lâaugmentation du poids total supportĂ© par les
essieux moteurs qui ont une plus grande dynamique en accélération
et au freinage.
4. Augmentation de lâespace utile : lâĂ©limination des locomotives
oĂč lâespace pour pas- sagers est restreint, permet un gain
considĂ©rable en termes dâespace utile. En com- parant par exemple
un AGV et un TGV Duplex Ă double planchĂ© dâune mĂȘme longueur Ă
savoir 200m, lâAGV dispose 446 siĂšges et le TGV de 516 siĂšges
soit de 70 siĂšges de plus [Bri 08].
5. Réduction de la charge maximale supportée par chaque essieu ;
ceci permet de sim- plifier les rails et les structures des chemins
de fer et de réduire les vibrations.
6. RĂ©duction du coefficient dâadhĂ©rence nĂ©cessaire pour les essieux
moteurs : lâaugmen-tation du nombre dâessieux moteurs permet
dâadmettre des coefficients dâadhĂ©rence moins importants tout en
gardant la mĂȘme force totale de traction ou de freinage.
1.3.1.2 Inconvénients
Les inconvénients de la traction répartie ont été rapidement
rĂ©solus par lâĂ©volution technologique sur lâĂ©lectronique de
puissance et les structures de bogies et de voitures. Au début, les
principaux avantages de la traction centralisée par rapport à la
traction
répartie étaient :
1. Nombre rĂ©duit dâĂ©quipements : ce qui conduit Ă des coĂ»ts de
fabrication et de maintenance réduits.
2. Meilleur confort : la séparation des locomotives des voitures de
voyageurs permet de réduire le bruit et les vibrations ressentis
par les voyageurs.
La traction rĂ©partie mĂšne vers lâaugmentation du nombre dâensembles
convertisseur/- moteur et leur structure dépend essentiellement de
la puissance totale désirée.
1.3.2 Les diffĂ©rentes structures du point de vue dâensemble
conver- tisseurs/moteurs
Dans cette section, nous allons présenter les différentes
architectures possibles dâun point de vue de lâalimentation et de
la commande des moteurs, la structure dépend alors principalement
de la puissance totale du systĂšme et de la distribution ou non de
la traction.
1.3.3 Structure Multi-convertisseur/Multi-machine
Dans la chaĂźne de puissance de traction ferroviaire classique,
chaque machine est ali-
mentée par son propre onduleur comme cela est représenté sur la
figure 1.5. On observe une mise en parallĂšle des onduleurs sur le
bus continu. Cette structure est largement utili- sée dans le cas
de la traction centralisée vues les puissances des moteurs utilisés
mais aussi elle est indispensable dans le cas de la traction Ă base
de moteurs PMSM. Mais des études récentes [Bid 08, Bid 11] ont été
menées sur la commande de plusieurs PMSM avec un seul onduleur tout
en assurant la stabilité des moteurs et en respectant le
synchronisme des moteurs. En ce qui concerne la commande, chaque
ensemble onduleur/moteur peut disposer de sa propre loi de contrĂŽle
et de sa commande rapprochée individuelle.
1.3.4 Structure Mono-onduleur/Multi-machine (systĂšmes
multi-machines)
Dans le cas de cette structure représentée sur la figure 1.6,
plusieurs moteurs sont alimentés par un seul onduleur. On a ici une
mise en parallÚle des machines sur un seul onduleur. TrÚs répandue
dans la traction rĂ©partie oĂč la puissance dâun moteur est dâen-
viron 1/4 de la puissance dâun moteur en traction centralisĂ©e.
Plusieurs études ont été menées sur de tels systÚmes multi-machines
pour développer des lois de commande adap- tées aux applications
ciblĂ©es [Bou 95,Pen 02]. Dans ce cas lâensemble de moteurs
disposera dâune seule loi de commande mais plusieurs structures
sont possibles et dépendront de la participation de chaque moteur
dans les lois de commande. On reviendra plus en détail
sur la commande des systĂšmes multi-machines dans le chapitre 3.
LâinconvĂ©nient principalde cette structure est que la dĂ©faillance
dâun Ă©lĂ©ment du convertisseur entraĂźnera lâarrĂȘt de plusieurs
moteurs.
1.3.5 Structure Mixte
Cette structure représentée sur la figure 1.7 est la plus
représentative pour un train, que ce soit dans la traction
centralisĂ©e oĂč on peut avoir plusieurs locomotives ou que ce soit
en traction rĂ©partie oĂč on a plusieurs unitĂ©s de traction, chacune
composée de plusieurs bogies moteurs. Dans ce cas, on a une mise en
parallĂšle dâonduleurs sur le bus
continu et chaque onduleur alimente plusieurs machines.Selon quâon
se focalise sur la commande dâun moteur, dâun sous ensemble, dâune
unitĂ© Ă©lectrique ou de lâensemble du train, la structure de la
commande et le comportement du
Figure 1.7 â Structure Mixte
systĂšme ne sont plus identiques. Dans les travaux de cette thĂšse on
se focalisera sur les possibilités offertes par une architecture
rĂ©partie au niveau de la commande afin dâassurer la continuitĂ© de
service du systÚme en présence de perturbations qui peuvent
remettre en
cause le bon fonctionnement du systĂšme. Dans la section qui suit,
un certain nombre deperturbations ou de défaillances sont
présentées.
1.4 Les perturbations et dĂ©faillances dâune chaĂźne de
traction Ă©lectrique
La chaĂźne de traction Ă©lectrique ferroviaire peut ĂȘtre soumise Ă
plusieurs perturbations internes et externes qui peuvent altérer
son bon fonctionnement. Le systĂšme peut alors continuer, si la
perturbation ou la défaillance le permet, à mener sa mission en
mode
dégradé donc avec des performances en dessous des performances
nominales ou alorslâanomalie conduit dans le cas contraire Ă son
arrĂȘt total.
1.4.1 Les perturbations externes
Le décollement du pantographe La perte momentanée de
lâalimentation due Ă un dĂ©collement du pantographe est lâune des
défaillances les plus contraignantes pour la chaßne de traction
ferroviaire. De fortes interactions électromécaniques existent
entre la parties électriques et mécaniques de la chaßne [Loc 99,Esc
99]. En effet, lâĂ©tude faite dans [Pen 00a] montre que le filtre
dâentrĂ©e de la chaĂźne de traction joue le rĂŽle dâun tampon
de perturbation pour la partie mécanique, ainsi une forte
perturbation au niveau delâalimentation (un fort Ă©chelon de
tension) se propage Ă lâensemble de la chaĂźne de traction,
affectant la force transmise au rail, créant ainsi un comportement
plus gĂȘnant que celui
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