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\CDRsetmeta{articletype}{review}

\title{Les chaînes de traction des TGV}

\alttitle{The TGV traction chains}

\author{\firstname{David} \lastname{Goeres}}
\address{Directeur de projet TGVM, Expert scientifique et technique du
réseau Synapses, SNCF Voyageurs, Direction de l'Ingénierie du Matériel, France}
\email{david.goeres@sncf.fr}

\begin{abstract}
Cet article décrit les différents composants des chaînes de traction
des TGV, en partant du TGV SE (1er TGV) jusqu'au TGVM.
\end{abstract}

\begin{altabstract}
This article describes the different components of the TGV drive
trains, from the TGV SE (1st TGV) to the TGVM.
\end{altabstract}

\keywords{\kwd{TGV}
\kwd{Chaîne de traction}
\kwd{Train}
\kwd{Performances de traction}
\kwd{TGVM}}

\altkeywords{\kwd{TGV}
\kwd{Traction chain}
\kwd{Train}
\kwd{Traction performance}
\kwd{TGVM}}
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{document}
\maketitle

%\end{noXML}

\section{Les débuts de la motorisation électrique des trains}

La motorisation électrique des trains est apparue en 1837, soit
à peine trente ans après la circulation du premier train à
vapeur. Après ce premier train électrique qui utilisait des
batteries embarquées, il faut attendre 1879 pour voir Werner Von
Siemens faire rouler à Berlin la première locomotive
électrique. La petite locomotive électrique était
entraînée à 13~km/h sur un anneau de 300~m par un moteur
série de 2,2~kW alimenté en 150~V continu par un $3^{\rm e}$~rail avec
un galet collecteur.

Très vite, les villes adoptent ce nouveau mode transport et
construisent des lignes de tramway. Clermont-Ferrand sera la
première à inaugurer son tramway le 7 janvier 1890. 

C'est de nouveau en Allemagne que la première utilisation
ferroviaire du courant alternatif se fait en 1904 avec des moteurs
à collecteurs~par alimentation directe en monophasé,  dont la
difficile commutation impose la fréquence peu ordinaire de
$16\frac{2}{3}$~Hz sous 15~kV. Cette tension caténaire
spécifique s'est généralisée jusqu'à nos jours en
Allemagne, en Autriche et en Suisse.

Mais il faut attendre la fin de la seconde guerre mondiale pour voir
des grands chantiers d'électrification des lignes ferroviaires
partout en Europe. Dès lors, les chaînes de traction
électriques se multiplient et deviennent de plus en plus
performantes (figure~\ref{fig0}).

%\vspace*{8pt}
\begin{figure}
\centering
\includegraphics{fx01}
\caption{TGVM, également connu sous le nom d'Avelia Horizon. Photo : Alstom.}
\label{fig0}
\end{figure}

\section{Définition de la chaîne de traction électrique}

Dans le monde ferroviaire, le terme \guillemotleft{}~chaîne de
traction électrique~\guillemotright{}~définit tous les
équipements électriques permettant de générer un effort
mécanique au niveau des roues motorisées d'un train, appelé
également \guillemotleft{}~effort à la
jante~\guillemotright{}, à partir d'une source électrique soit
interne, par exemple des batteries, soit externe par une caténaire.

Une chaîne de traction regroupe les principaux composants suivants~:
\begin{itemize}
\item Le pantographe qui permet de capter l'énergie électrique
à la caténaire~;
\item Le transformateur principal qui abaisse la valeur de la tension
des caténaires monophasées afin de la rendre compatible avec
les semi-conducteurs~;
\item Les convertisseurs électriques, à base de
semi-conducteurs, qui transforment la tension caténaire en un
réseau de tensions triphasées de fréquence variable
(fréquence $=$ vitesse de rotation du moteur)~;
\item Le moteur de traction qui permet de transformer une puissance
électrique en effort de rotation.
\end{itemize}
La courbe de l'effort en fonction de la vitesse ($F(v)$) d'un train (figure~\ref{fig1})
caractérise l'effort mécanique généré par
l'ensemble des moteurs du train sur toute la plage de vitesse
d'exploitation. Cette courbe $F(v)$ doit être supérieure à la
somme des forces qui s'opposent au déplacement du train,
appelées \guillemotleft{}~résistance à
l'avancement~\guillemotright{}. Ceci afin de pouvoir circuler à la
vitesse maximale des lignes ferroviaires ciblées pour le service
commercial mais aussi de démarrer dans les rampes maximales de ces
lignes. 

La résistance à l'avancement en fonction de la vitesse ($R(v)$)
est caractérisée par l'équation suivante : 
{$$
R = A + Bv + Cv^{2}\ ({+}{Mgp})
$$}\unskip
\begin{itemize}
\item \emph{v est la vitesse du train}
\item \emph{A + Bv représente la résistance due au roulement
et aux frottements mécaniques}
\item \emph{Cv}$^{2}$ \emph{représente la résistance due
à la trainée aérodynamique du train}
\item \emph{M est la masse du train en Tonne}
\item \emph{g est l'accélération de l'apesanteur}
\item \emph{p est la valeur du profil de la voie en mm/m}.
\end{itemize}

\begin{figure}
\includegraphics{fig01}
\caption{Courbes de l'effort de traction d'un TGV
asynchrone en fonction de la vitesse sur ligne à grande vitesse.}
\label{fig1}
\end{figure}

Comme pour tout mobile terrestre, la résistance à l'avancement
d'un train augmente avec la vitesse de circulation. C'est d'autant plus
vrai pour un train à grande vitesse, pour lequel la trainée
aérodynamique devient prépondérante et représente
environ 80~\% de la résistance à l'avancement à 300~km/h.
Ainsi, la résistance à l'avancement d'un TGV double entre
200~km/h et 300~km/h. Cette contrainte, liée à la grande vitesse,
entraîne un saut de performances important pour les chaînes de
traction TGV par rapport à des trains exploités à des
vitesses inférieures à 200~km/h. Ainsi, TGV doivent disposer
d'une puissance de traction très élevée pour emmener ses
400~T à plus de 300~km/h. Cette puissance de traction est passée
de 6,4~MW pour les TGVSE qui étaient dimensionnés initialement
pour 260~km/h, à 8~MW pour le TGV Atlantique, premier TGV à
circuler à 300~km/h en service commercial. Avec l'arrivée des
TGV Réseau, cette puissance a été portée à 8,8~MW
afin de leur permettre de circuler à 300~km/h sur des zones
géographiques plus accidentées. Il faut attendre le milieu des
années 2000 avec l'inauguration de la Ligne à Grande Vitesse
Est Européenne, première ligne en Europe homologuée pour
une vitesse commerciale de 320~km/h, pour que la puissance de traction
des nouvelles motrices TGV à motorisation asynchrone soit
portée à 9,28~MW. C'est sur cette même ligne que le record
de vitesse sur rail sera battu par la SNCF et Alstom. En effet, le 4
avril 2007, la rame TGV V150 atteint la vitesse de 574,8~km/h avec une
puissance de traction de 19,6~MW. A titre de comparaison, la puissance
de la voiture moyenne en France est de 85~kW.

%{\vspace*{-2pt}}

\section{Le pantographe}

%{\vspace*{-2pt}}

Tous les composants de la chaîne de traction sont ainsi hors norme
pour atteindre de telles performances à commencer par le
pantographe, qui permet de capter cette puissance à la
caténaire. Le pantographe est soumis à toutes les
\guillemotleft{}~agressions~\guillemotright{}~météorologiques
possibles, ainsi qu'aux turbulences aérodynamiques inhérentes
aux écoulements de l'air autour du train.

Cet équipement électromécanique permet de capter une
puissance apparente d'environ 10~MVA via une surface de contact avec la
caténaire équivalente à une pièce de 1{\texteuro}. Pour
atteindre cette performance, le pantographe doit avoir une structure
métallique la plus légère possible tout en assurant le plus
de stabilité aux bandes de frottement et résister aux
contraintes aérauliques à 320~km/h. De plus, le choix des
matériaux de frottement des bandes en contact avec la caténaire
est en lien direct avec la durée de vie de la caténaire. Ces
bandes sont le plus souvent composées de poudre de carbone et de
poudre de cuivre dans des proportions adaptées à la vitesse et
aux courants à capter. 

Ces optimisations sont illustrées ci-dessous avec 3
générations de pantographes de TGV (figure~\ref{fig2} et table~\ref{tab1}). 

\begin{figure}[h!]
{\vspace*{-2pt}}
\includegraphics{fig02}
{\vspace*{-2pt}}
\caption{\'Evolution des pantographes de TGV (voir aussi table~\ref{tab1}).}
\label{fig2}
{\vspace*{-8pt}}
\end{figure}


\begin{table}[h!]
\caption{\'Evolution de la masse  des pantographes
TGV.}
{\vspace*{-2pt}}
\fontsize{10}{11}\selectfont
\tabcolsep=1pt
\begin{tabular}{lcc}
\thead
Pantographe & Masse mobile du pantographe & Masse mobile de l'archet\\
\endthead
AMDE 25~kV & 50 kg & 10 kg --- Archet métal \\
GPU 25~kV & 40 kg & 8 kg --- Archet carbone \\
CX 25~kV de 1$^{\mathrm{ère}}$ génération & 25 kg & 8 kg --- Archet carbone \\
CX 25~kV de 2$^{\mathrm{ème}}$ génération & 23 kg & 5 kg --- Archet carbone mono-bande
\botline
\end{tabular}
\label{tab1}
{\vspace*{-2pt}}
\end{table}

Pour assurer un captage, le pantographe doit assurer une poussée
mécanique suffisante sur la caténaire afin d'assurer un contact
électrique de bonne qualité. Ni trop, pour ne pas soulever
excessivement le fil de contact élastique de la caténaire, ce
qui pourrait conduire à son arrachement~; ni trop peu, pour
éviter la séparation physique entre les bandes de frottement et
la caténaire, qui génère des arcs électriques
destructeurs pour les parties métalliques de l'archet. Les effets
aérauliques étant de plus en plus importants à mesure que
la vitesse augmente, l'effort mécanique doit s'accentuer à
mesure que la vitesse augmente. L'effort de contact est usuellement
proportionnel au carré de la vitesse.

L'effort mécanique du pantographe soulève légèrement la
caténaire aux zones de contact et produit une onde qui se
déplace à la vitesse du train. Cette onde nécessite, pour
des vitesses élevées, d'assurer une distance minimum entre 2
pantographes en service. Cette distance minimum ne permet pas de lever
les deux pantographes des deux motrices accouplées lors des
circulations de 2 rames TGV. En effet, l'ondulation de la caténaire
n'est pas suffisamment \guillemotleft{}~amortie~\guillemotright{}~pour
assurer un captage de qualité. Ainsi, il n'est pas possible de
lever le pantographe de chaque motrice mais seulement un pantographe
par rame, celui de la motrice arrière, en fonctionnement nominal,
et celui de la motrice avant, en cas d'avarie. L'énergie
électrique est acheminée à la motrice distante via un
câble 25~kV, appelé \guillemotleft{}~ligne de
toiture~\guillemotright{}, fixé sur la toiture du TGV.

%{\vspace*{-2pt}}

\section{Le transformateur de puissance (TFP)}

%{\vspace*{-2pt}}

L'énergie captée à la caténaire par le pantographe est
ensuite acheminée au transformateur principal (TFP) de chaque
motrice. Le TFP assure d'une part une isolation galvanique entre le
25~kV capté à la caténaire et le reste des équipements
électriques du train~; et, d'autre part, il permet d'adapter le
niveau de tension électrique afin de le rendre compatible avec les
semiconducteurs de puissance des convertisseurs électriques.
Dimensionné pour une puissance d'environ 5~MVA, le TFP d'une motrice
TGV est un équipement relativement volumineux et d'une masse
moyenne de 10~T (figure~\ref{fig3}).

\begin{figure}[!htbp]
{\vspace*{-2pt}}
\includegraphics{fig03}
{\vspace*{-5pt}}
\caption{Un TFP de motrice TGV asynchrone. Source : photographie personnelle de l'auteur.}
\label{fig3}
{\vspace*{-2pt}}
\end{figure}

Le principe de fonctionnement d'un TFP est assez simple, il permet
à un courant électrique circulant dans une bobine primaire
d'induire un courant dans une bobine secondaire via un circuit
magnétique. L'intensité du courant secondaire est égale
à l'intensité du courant primaire multipliée par le rapport
entre le nombre de spires du bobinage primaire et le nombre de spires
du bobinage secondaire.

La puissance électrique absorbée par le bobinage primaire
étant égale à la puissance dans le bobinage secondaire aux
pertes près (U1 $*$ I1 $=$ U2 $*$ I2), la relation entre les tensions des
bobinages vérifie l'égalité suivante~: $\mathrm{U}2 = (n2/n1) * \mathrm{U}1$.
Le rapport $n2/n1$ appliqué à un train est environ $1/25$,
permettant ainsi d'abaisser la tension 25~kV de la caténaire
appliquée au primaire du TFP à une tension secondaire d'environ
1000~V. Un transformateur de TGV dispose de 4 bobinages de traction
secondaires, un pour chaque essieu moteur de la motrice (figure~\ref{fig4}).

\begin{figure}
\includegraphics{fig04}
\vspace*{-8pt}
\caption{Schéma de principe d'un transformateur.}
\label{fig4}
\end{figure}

\section{La conversion d'énergie}

\subsection{Fonctionnement d'une chaîne de traction sous caténaire continue}

La conversion d'une tension continue en un réseau de tensions
triphasées à fréquence variable est assurée par un
convertisseur appelé \og onduleur de
tension \fg{}. L'association d'un onduleur et d'un moteur
triphasé permet d'assurer la fonction
\guillemotleft{}~traction~\guillemotright{}~d'un train sous
caténaire continue (figure~\ref{fig5}).

La technologie des interrupteurs de puissance
\og IGBT\fg{}~(Insulated Gate Bipolar
Transistor) permet, depuis plus de vingt ans, de réaliser la
fonction onduleurs de tension. Les onduleurs à IGBT absorbent
(traction) ou restituent (freinage par récupération
d'énergie) de la puissance à la source de tension continue. Il
s'agit donc d'un convertisseur réversible capable de créer un
réseau triphasé à partir d'une tension continue (traction)
ou une tension continue à partir d'une tension triphasée
(freinage).

\begin{figure}
\vspace*{2pt}
\includegraphics{fig05}
\caption{Architecture typique de la chaîne de traction moderne alimentée en courant continu.}
\label{fig5}
\end{figure}

Un onduleur transforme une tension continue en une tension
sinuso\"{i}dale. Pour ce faire, les semi-conducteurs vont
\og découper\fg{}~une source de tension
continue E, et en appliquant plus ou moins longtemps cette tension
à la charge (coefficient ${\upalpha}$), vont créer une tension
moyenne dont l'amplitude pourra varier en fonction du coefficient
${\upalpha}$ (figure~\ref{fig6}).

\begin{figure}
\includegraphics{fig06}
\caption{Génération d'une tension moyenne variable.}
\label{fig6}
\vspace*{2pt}
\end{figure}

Ce principe appliqué 3 fois, en déphasant les ordres de
commandes de 120\textdegree\ permet de créer un réseau
triphasé dont l'amplitude est fonction de ${\upalpha}$. La
fréquence est déterminée par la commande des
semi-conducteurs (figure~\ref{fig7}).

\begin{figure}
\vspace*{3pt}
\includegraphics{fig07}
\caption{Construction d'un réseau triphasé.}
\label{fig7}
\end{figure}

\subsection{Fonctionnement d'une chaîne de traction sous
caténaire monophasée}

Les chaînes de traction fonctionnant sous des tensions
caténaires monophasées (25~kV--50~Hz ou 15~kV--16,7~Hz)
disposent d'un étage supplémentaire capable de transformer la
tension sinuso\"{i}dale à fréquence fixe (fréquence de la
caténaire) en une tension continue adaptée au fonctionnement de
l'onduleur. Cet étage supplémentaire est composé d'un pont
monophasé à commutation forcée (PMCF) (figure~\ref{fig8}).

\begin{figure}
\vspace*{3pt}
\includegraphics{fig08}
\caption{Architecture de la chaîne de 
traction~\guillemotleft{}~moderne~\guillemotright{}.}
\label{fig8}
\vspace*{3pt}
\end{figure}

Le PMCF est un convertisseur réversible comme l'onduleur. Sa
structure et son pilotage lui permettent de jouer le r\^{o}le de
redresseur d'une part (transformer une tension sinuso\"{i}dale en
tension continue), mais aussi d'être un onduleur capable de
renvoyer vers la caténaire l'énergie de freinage produite par
les moteurs de traction. Son fonctionnement est similaire à un
onduleur monophasé travaillant à fréquence fixe, celle de
la caténaire.


Ainsi, les convertisseurs de la chaîne de traction permettent de
transformer la tension 25~kV de la caténaire de fréquence fixe
50~Hz, en un réseau de tensions triphasées sinuso\"{i}dales d'amplitudes et fréquences variables, la vitesse de rotation du
moteur synchrone ou asynchrone étant proportionnelle à la
fréquence. 

\section{Les moteurs de traction}

Le moteur électrique est le dernier composant de la chaîne de
traction. Il peut être fixé dans le bogie ou sous caisse
au-dessus du bogie~; cet environnement contraint donc fortement son
volume. Plusieurs types de moteurs électriques se sont
succédés dans le ferroviaire au fil des années.\linebreak Le moteur
à courant continu était usuellement utilisé jusqu'au
début des années 80. Son fonctionnement très simple
permettait de le piloter à partir de composants
électromécaniques.

L'apparition des Thyristors (semi-conducteur) de forte puissance dans
les années 80, associée à des électroniques de commande
numérique a permis de concevoir des pilotages complexes, et
l'utilisation de moteurs synchrones et asynchrones. Ces moteurs
alternatifs ont l'immense avantage d'être moins complexes, plus
puissants (pas de collecteur) et plus légers (figure~\ref{fig9}).

\begin{figure}[!h]
\includegraphics{fig09}
\caption{\'Evolution du type de motorisation dans les trains.}
\label{fig9}
\end{figure}

Ainsi les années 90 ont vu le déploiement du moteur synchrone,
notamment sur les TGVA, TGVR et TGV Duplex de première
génération. Il faut attendre le début des années 2000,
et l'apparition des IGBT de puissance pour que le moteur asynchrone se
généralise. Pour comprendre ces évolutions successives, il
convient d'évoquer les paramètres fondamentaux de
dimensionnement.

Le couple \guillemotleft{}~C~\guillemotright{}~d'un moteur vérifie
l'égalité (Figure~\ref{fig10}) 
{$$
{C} = {A} *  {B} * {D}^{2} * {L}
$$}\unskip
\begin{itemize}
\item \emph{A en Ampère.conducteurs/m}
\item \emph{B} $=$ \emph{induction en Tesla}
\item \emph{D} $=$ \emph{diamètre du moteur}
\item \emph{L} $=$ \emph{longueur de fer}
\end{itemize}

\begin{figure}[!h]
\includegraphics{fig10}
\caption{Schéma simplifié d'un rotor de moteur.}
\label{fig10}
\end{figure}

Ainsi, le couple est directement lié au volume de fer du moteur.
Pour un moteur de locomotive fret, qui nécessite un fort couple au
démarrage, on privilégiera un moteur de diamètre important.

Mais pour une application grande vitesse, il est plus pertinent de
disposer d'une vitesse de rotation élevée et d'augmenter la
longueur de fer, dans le respect des contraintes d'encombrement
associées au bogie. En effet, réduire le diamètre des
moteurs est nécessaire pour augmenter la vitesse de rotation sans
augmenter les contraintes mécaniques et donc les contraintes de
calage des conducteurs électriques du rotor.

Ainsi, en considérant un même volume de moteur, les 3 figures
ci-dessous illustrent le gain en longueur de fer des 3 types de moteurs
électriques (Figure~\ref{fig11}).

\begin{figure}
\includegraphics{fig11}
\caption{\label{fig11}Schémas simplifiés des rotors des
différents types de moteur de traction ferroviaire.}
\end{figure}

L'alimentation des enroulements des rotors nécessite l'ajout de
balais qui sont en contact avec le collecteur du moteur à courant
continu ou les couronnes du moteur synchrone. La suppression de ces
dispositifs dans le moteur asynchrone permet de disposer d'un volume de
fer plus important et donc d'une plus grande puissance. La table~\ref{tab2}
ci-dessus illustre les gains apportés par les différentes
motorisations TGV.

\begin{table*}
\caption{Caractéristiques des différents moteurs des TGV.}
\begin{tabular}{lccc}
\thead
Année & 1981 & 1989 & 2007 \\
\endthead
Ligne LGV & Paris --- Sud Est & Atlantique & Est Européenne \\
Type de moteur & Courant continu & Synchrone & Asynchrone \\
Puissance de kW & 535 & 1100 & 1160 \\
Ration kg/kW & 2,9 & 1,35 & 1,16 \\
Vitesse en tr/min & 3400 & 4000 & 3900 
\botline
\end{tabular}
\label{tab2}
\end{table*}

Le moteur synchrone à aimants permanents est apparu au milieu des
années 2000. Ce moteur reprend les avantages du moteur synchrone
tout en éliminant la contrainte d'alimentation des enroulements du
rotor (électro-aimant) qui ont été remplacés par des
aimants. Ce moteur très compact est de plus en plus utilisé
dans l'automobile et sur les tramways. Cependant, certains de ses modes
dégradés et son co\^{u}t (utilisation de terres rares pour les
aimants) freinent sa généralisation à des matériels
à plus grande vitesse. A noter, que l'AGV d'Alstom est le premier
train à grande vitesse à utiliser cette motorisation.

\section{La chaîne de traction du TGVM~: de nouveaux défis}

Différentes chaînes de traction se sont succédées au
gré des avancées technologiques. Les performances étaient
souvent à la limite de ce que permettait la technologie de
l'époque. L'arrivée des IGBT a permis de standardiser la
conversion d'énergie électrique et par conséquent les
chaînes de traction. Cette standardisation a permis des gains de
fiabilité notables et une réduction des co\^{u}ts.

Les défis liés au réchauffement climatique et la
nécessité de réduire toujours plus la consommation
d'énergie induisent un nouveau souffle d'innovation dans cet
environnement standardisé. Ces nouveaux défis ont
évidemment orienté les choix techniques du nouveau TGVM. Une
attention particulière a été portée sur les innovations
en lien avec l'aérodynamique, ce qui a réduit d'environ 13~\% le
coefficient de pénétration dans l'air du TGVM vis-à-vis de
ses prédécesseurs. Ce gain sur la résistance à
l'avancement a contribué à diminuer, dans les mêmes
proportions, la puissance des moteurs de traction et donc leur taille.
Ainsi, ces optimisations ont permis de fixer les moteurs du TGVM sur le
bogie alors qu'ils étaient historiquement fixés sur la caisse
des motrices. Cette nouvelle architecture a simplifié la chaîne
cinématique entre le moteur et l'essieu, entraînant une
réduction de co\^{u}t importante, une plus grande fiabilité et
un gain de rendement de 2~\%. 

D'autres optimisations et innovations ont permis de réduire de 20~\%
la consommation d'une rame TGVM par rapport aux TGV Duplex existants.
Le nombre de places assises ayant par ailleurs été
augmentées de 10 à 20~\% sur TGVM, c'est une réduction de 32
à 37~\% de GES par voyageur. Cet écart s'accentue jusqu'à
50~\% de gain pour le TGVM en comparaison avec les matériels à
grande vitesse à 1 niveau des exploitants ferroviaires concurrents
de la SNCF. Toutes ces innovations permettent au TGVM de reprendre une
longueur d'avance vis-à-vis de ses concurrents, validant l'objectif
initial de ce partenariat d'innovation entre SNCF Voyageurs, Alstom et
l'ADEME.

\section*{Déclaration d'intérêts}

Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne poss\`edent pas
de parts, ne re\k{c}oivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait
tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre
affiliation que leurs organismes de recherche.

\end{document}
