Traction électrique ferroviaire : le tram-train

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1 Traction électrique ferroviaire : le tram-train par Georges MULLER Ingénieur Principal à la Compagnie des Transports Strasbourgeois CTS 1. Définitions générales et avantages... D Réalisations étrangères Réalisations françaises Exploitation Alimentation électrique Matériel roulant Bombardier «Saarbahn» Siemens «Avanto»x Alstom LHB «Regio Citadis» Alstom «Citadis Dualis... 8 Pour en savoir plus... Doc. D L e présent dossier complète les deux (dossiers) précédents [D 5 550] et [D 5 551] consacrés aux tramways. Le dossier [D 5 550] relatait l évolution historique du tramway, son déclin en France jusqu à sa quasi-disparition dans les années soixante puis sa spectaculaire renaissance, vingt ans plus tard, à Nantes, Grenoble puis dans une quinzaine d agglomérations, y compris à Paris, avec l exposé des principaux avantages du tramway et sa relation avec l environnement urbain. On trouve également dans le dossier [D 5 550], une description de ce qui concerne le système proprement dit : les contraintes et caractéristiques du tracé, alimentation électrique par ligne aérienne ou par le sol ou par accumulateurs embarqués, les règles de sécurité à respecter en exploitation, la conduite et, enfin, les principes généraux appliqués dans la conception du matériel, en particulier, en ce qui concerne la sécurité et l accessibilité des voyageurs, le confort ambiant, les performances, les équipements de traction-freinage et le design. Le dossier [D 5 551] est entièrement consacré à la technique du matériel roulant, notamment dans sa variante à plancher bas pour permettre l accessibilité des personnes à mobilité réduite. Tous les matériels actuellement construits en Europe occidentale sont passés en revue au moyen de tableaux rassemblant les principales caractéristiques des gammes de matériel disponibles sur le marché. Le présent dossier [D 5 552] est consacré aux trams-trains, ces tramways qui peuvent circuler sur les rails posés dans la voirie ou sur les voies de lignes de chemin de fer d intérêt général. La notion de tram-train est apparue à Karlsruhe en 1991 et le succès incroyable de cette réalisation a attiré des cohortes de visiteurs venus voir ce phénomène qui permet à ceux qui habitent à la campagne de se rendre en ville sans changer de mode de transport. est strictement interdite. Editions T.I. D

2 TRACTION ÉLECTRIQUE FERROVIAIRE : LE TRAM-TRAIN Après de longs atermoiements, le phénomène est en train de prendre pied en France où les projets sont nombreux. On y trouve les principaux avantages de la formule tram-train, une revue des principales réalisations actuellement en service et une description des principaux matériels existants. Abréviations courantes ca cc IGBT courant alternatif courant continu Insulated Gate Bipolar Transistor RFF UIC réseau ferroviaire français Union Internationale des Chemins de fer 1. Définitions générales et avantages Un tram-train est un tramway qui, moyennant certaines adaptations techniques, est capable de rouler indifféremment sur les voies de tramway d un réseau urbain et sur les voies d un réseau de chemins de fer où subsistent des dessertes par trains traditionnels pour les voyageurs et pour les marchandises. L idée n est pas entièrement nouvelle puisque, au début du XX e siècle déjà, certaines compagnies de tramways interurbains et de chemins de fer des États-Unis avaient, par souci d économie, accepté de partager leurs voies sur des distances limitées. Les avantages de la formule tram-train sont multiples. Dans les agglomérations qui ne sont pas forcément de taille très importante, on crée des liaisons directes de la région jusqu aux centres-villes sans changement de mode de transport et en évitant les longs cheminements à pied depuis la descente du train jusqu à la station de tramway la plus proche. Pour des dessertes interurbaines qui doivent avoir des distances entre stations relativement courtes, afin d offrir une alternative attractive par rapport à la voiture, le tram-train est beaucoup plus performant que le TER classique : à capacité égale, tare 3 fois inférieure permettant de doubler les niveaux d accélération et de décélération, malgré une puissance de l ordre de la moitié, et de diviser par 2 à 3 la consommation d énergie ; charge à l essieu de moitié et roues élastiques réduisant considérablement le bruit, les usures des roues et des rails, le tassement du ballast, etc. ; plancher bas mettant les seuils de portes au niveau des quais, d où des temps d arrêt en station très réduits et un accès facile pour tous ; même temps de parcours pour 3 interstations de 2 km en tram-train que pour une interstation de 6 km en TER. L exploitation d une ligne régionale de chemin de fer à l aide de rames électriques légères de type tramway, conduites par un seul agent, est plus économique que la formule d une puissante locomotive tirant un matériel beaucoup plus lourd ou celle d une rame automotrice TER. 1.1 Réalisations étrangères À partir de 1991, le matériel tram-train a progressivement remplacé la plupart des TER traditionnels dans la région de Karlsruhe (figure 1). Sous l impulsion de son directeur général, Dieter Ludwig, le réseau de Karlsruhe, qui exploitait déjà 2 longues Figure 1 Tram-train circulant dans la région de Karlsruhe (Photo GM) lignes de tramways suburbains conduisant au cœur de la Forêt Noire, s est vu confier, à partir de 1990, par le Land de Bade-Wurtemberg, l exploitation progressive des services voyageurs de la plupart des lignes de chemin de fer irradiant autour de Karlsruhe, à l aide d un nouveau matériel roulant apte à circuler sous 750 V cc en ville et sous V ca sur les lignes de la DB. Ce sont, en 2007, 7 lignes, totalisant 531,2 km qui sont exploitées par le réseau tram-train. La formule a été reprise par le Land de la Sarre où, en raison de l influence française des années d après-guerre, les tramways des quatre villes principales avaient été supprimés dans la période Il en avait résulté le même envahissement par le trafic routier. Pour remédier à cette situation, il a été décidé de reconstituer un réseau de lignes régionales exploitées comme chemins de fer sur des sections de ligne régionales de la DB et comme tramways dans la traversée de la capitale, Sarrebruck. Avec le soutien de la ville lorraine de Sarreguemines, dont une partie des habitants travaillent en Sarre, la première ligne sarroise de tram-train est devenue transfrontalière. Elle mesure 46 km et 28 rames bicourant (750 V cc/ V 16,66 Hz ca) qui sont dotées de 2 zones à plancher bas pour l exploitation en zones urbaines y circulent. La troisième ville allemande à suivre ces exemples est Kassel, capitale de la Hesse. Après avoir fait une première expérience d une ligne de chemin de fer adaptée à la circulation des tramways urbains, le Land de la Hesse a décidé d étendre le système à des lignes de la DB où circulent des trains à longue distance, des trains régionaux et des trains de marchandises. Toutes les lignes D est strictement interdite. Editions T.I.

3 TRACTION ÉLECTRIQUE FERROVIAIRE : LE TRAM-TRAIN convergent vers Kassel. Sur les lignes déjà électrifiées, la Regiostadtbahn Kassel a mis en service en , une première série de 18 rames Regio Citadis bicourant 750 V cc/ V 16,66 Hz ca livrées par Alstom. D autres exploitations par tram-trains sont également apparues en Hollande. Gouda-Alphen a/d Rijn : sur l ancienne ligne électrifiée des chemins de fer de l État, les trains ont été remplacés par des tramways, le projet prévoyant de traverser Leiden dans les rues. Randstadrail : mis en service en automne 2007, il s agit de la reprise de la plus ancienne voie ferrée néerlandaise, reliant Rotterdam à La Haye (28 km), déjà électrifiée en 1908, et d y substituer les trains par des rames de tramway qui aboutiront dans les centres des 2 métropoles par utilisation des infrastructures des tramways urbains et qui assureront la desserte de la ville de Zoetermeer. Le matériel roulant retenu, 50 rames est le même que les Regio Citadis construits par Alstom LHB pour Kassel. En Suisse, la ligne CFF Genève La Plaine (1 500 V cc) est exploitée, depuis 1994, par un matériel tram-train pratiquement identique à celui du tramway du Sud-Ouest Lausannois ; certaines courses vont, depuis 2001, jusqu à Bellegarde, dans l Ain. 1.2 Réalisations françaises En France, l idée du tram-train a commencé par émerger vers 1996 et dans différentes régions, notamment celles où le tramway avait fait son retour. Diverses études réalisées par la SNCF et les régions avaient mis en évidence les avantages du système et de cette catégorie de matériel complètement nouvelle. La pénétration de la Saarbahn en territoire français jusqu à Sarreguemines ainsi que l autorisation pour les rames du Genève-La Plaine de circuler jusqu à Bellegarde, au milieu des TGV, trains Corail et de Fret, a eu raison des dernières réticences psychologiques. Il en ressortait 2 champs d application. Le premier, le plus évident, consiste à faire du tramway péri-urbain, en utilisant les voies de tramways en ville, puis les voies ferrées RFF à la périphérie. C est le modèle de Karlsruhe ou de Kassel. Le deuxième, dans l hypothèse où la demande le justifierait, avec une participation financière éventuelle des collectivités régionales, verrait le remplacement de certains trains régionaux classiques par des rames tram-train qui ne viendraient pas forcément terminer dans un centre-ville donné, du moins dans l immédiat. C est un peu cette deuxième solution qui a été retenue pour le premier tram-train de France, à savoir la ligne SNCF Aulnay-sous-Bois Bondy (8 km, 11 stations), dite ligne des Coquetiers, dans la couronne parisienne, électrifiée en V 50 Hz ca en Une exploitation par tram-train a été retenue, non seulement à cause d un coût d exploitation inférieur à celui de rames de banlieue classiques, mais en raison du projet qui prévoit une antenne, depuis la gare de Gargan, conduisant à Clichy-sous-Bois et Montfermeil, en grande partie dans la voirie existante. La section Aulnay Bondy a été mise en service le 20 novembre 2006 à l aide de 15 rames Siemens «Avanto». Un autre projet, dont le démarrage des travaux a eu lieu en 2007, concerne la transformation de la ligne SNCF Mulhouse Thann Kruth (32 km) en exploitation par tram-train. Ici, le réaménagement sera encore plus radical puisque l offre va être considérablement renforcée, le débit de la ligne renforcé par son électrification en V 50 Hz ca et par l insertion des rames tram-train dans le tissu urbain par l emprunt des voies du nouveau tramway mulhousien, voulu par le sénateur-maire Jean-Marie Bockel et mis en service en Le matériel prévu, 12 rames identiques à celles d Aulnay-Bondy ont été commandé fin Toujours en Alsace, une autre application de la formule tram-train, en cours de finalisation, concerne la transformation de la ligne SNCF Strasbourg Molsheim (19 km) avec antennes sur Obernai Barr (16 km) et sur Mutzig Gresswiller (6 km). Dans une première étape, une ligne de tramway urbain va être réalisée entre les instances européennes (Parlement européen, Conseil de l Europe) et la gare centrale de Strasbourg où sera assurée une correspondance avec les TGV pour Paris ainsi qu une correspondance au quart d heure pour Molsheim en desservant l aéroport International de Strasbourg-Entzheim. Quand le financement sera assuré, la ligne de Molsheim et ses deux antennes vers Barr et Gresswiller seront électrifiées en 25 kv 50 Hz, l ancien tunnel élargi du tram postal de la CTS (Compagnie des tramways strasbourgeois) sous la gare, et les rames tram-train assureront un service direct entre les Institutions européennes de Strasbourg, la gare centrale, l aéroport International, la vallée de la Bruche et le Piémont des Vosges. Un problème qui reste à résoudre est la définition du matériel roulant puisque, contrairement à Karlsruhe, Aulnay Bondy et Mulhouse, le tram-train de la capitale alsacienne devra s accommoder du gabarit des voies urbaines conçu pour des tramways de 2,40 m de large, mais des solutions existent! Pour la desserte de 3 lignes de l Ouest Lyonnais, le Conseil régional du Rhône a retenu l exploitation par tram-trains, à l horizon 2010, sur des lignes électrifiées ou à électrifier en V cc qui est la tension idéale pour ce genre d exploitation. En fait, en France, le fossé à franchir était surtout d ordre psychologique car, à la SNCF, trop nombreux étaient ceux qui considéraient que ce nouveau segment du transport éloignait la grande Maison de ses tâches traditionnelles telles que l exploitation des trains de voyageurs (TGV, Grandes Lignes, TER) ou de frêt et la perspective de s impliquer avec d autres exploitants dans le transport péri-urbain ne pouvait trouver sa place dans la culture d entreprise. Finalement, à la demande d un nombre croissant de régions, malgré les nombreuses questions non résolues, notamment au niveau de la maintenance du matériel et des conditions d exploitation sur les réseaux de tramways urbains existants, la SNCF a lancé un appel d offres international et a signé avec Alstom, en avril 2007, un marché pour la fourniture d une première tranche ferme de 31 rames avec des options pouvant constituer, à terme, une famille de 200 rames. Cette première tranche est destinée à deux régions : Rhône-Alpes : il s agit de la ligne SNCF de l Ouest Lyonnais Lyon St-Paul Charbonnières-les-Bains Lozanne Saint-Bel (26 km), électrifiée en V cc, depuis 1954 entre Lyon et Charbonnières (9 km). Au terminus de St-Paul est aménagée une correspondance avec la ligne 1, la très importante ligne urbaine exploitée par trolleybus articulés. Le lieu de l interconnexion avec les tramways urbains lyonnais n est pas encore défini mais finira par s imposer lorsque la ligne sera exploitée par trams-trains en 2009 ; Pays-de-la-Loire : la région a choisi la ligne SNCF Nantes Chateaubriant (35 km), fermée au trafic voyageurs depuis 1980, qu il s agit de moderniser et d électrifier ; une première section de 29 km pourrait être mise en service en 2009 ou 2010 entre Nantes et Nort-sur-Erdre, le reste devant être achevé en 2012 ou 2013 ; un débranchement vers le futur aéroport de Notre-Dame-des-Landes est envisagé mais, comme à Lyon, le point d interconnexion avec les lignes urbaines des tramways nantais n est pas défini. Les autres projets français de tram-trains, réalisables après cette première tranche sont : Mulhouse Thann Kruth 32 km, 2010 ; Strasbourg Molsheim Gresswiller 25 km, avec embranchement Molsheim Obernai Barr 16 km, ; Saint-Étienne Firminy 15 km : ce projet souffre d une difficulté particulière, celle de l écartement des tramways urbains qui sont à voie métrique ; 2 solutions existent : pose d un 3 e rail dans la voie normale RFF permettant à des tramways à voie métrique, à gabarit plus étroit, de relier le centre de St-Étienne avec Firminy, est strictement interdite. Editions T.I. D

4 TRACTION ÉLECTRIQUE FERROVIAIRE : LE TRAM-TRAIN pose d un 3 e rail à côté de la voie urbaine permettant à des trams-trains plus larges, à voie normale, d effectuer le même service avec, tout-de-même, la reconstruction des voies de tramway entre la gare de Châteaucreux et le centre-ville, les 2 solutions sont viables mais doivent être étudiées très en détail ; La Réunion ; l ancienne voie ferrée côtière, souvent en tunnel, a été supprimée en 1976 et la route est souvent coupée par les tempêtes ou des éboulements. Le projet actuel prévoit la réalisation, dans le nord du département, d une ligne de 40 km reliant, dans une première phase, l aéroport de St-Denis-Gillot avec le centre de Saint-Denis ( habitants), La Possession ( habitants), Le Port ( habitants) et St-Paul ( habitants). Cette première ligne pourrait être mise en service en Par la suite, la ligne pourrait être prolongée au sud de St-Paul vers St-Leu et St-Louis ( habitants) et St-Pierre ( habitants), et à l est de St-Denis à Ste-Marie et à Ste-Suzanne ; Ile-de-France : c est dans cette région où les projets sont les plus nombreux, entre autres : prolongement de la ligne T4, Aulnay Bondy, dans la voirie, vers Montfermeil, Cergy Saint-Germain-en-Laye Versailles, Versailles Corbeil-Essonnes, Sartrouville Noisy-le-Sec Il est certain que, comme pour les tramways urbains, la formule du tram-train «à la française», une fois couronnée de succès dans les premières réalisations, aura un effet rapidement contagieux. 2. Exploitation Chaque opération a été un très grand succès. À Karlsruhe, l augmentation de la clientèle, après le passage du TER traditionnel au tram-train, a atteint jusqu à 400 %. Malgré la vitesse maximale inférieure des rames tram-train (100 km/h) par rapport aux possibilités d une puissante rame tractée de la DB, l attractivité du réseau tram-train de Karlsruhe tient aux faits suivants : pas de rupture de charge en gare centrale puisque le tram-train se raccorde au réseau urbain et dessert directement le centre-ville ; desserte à fréquence cadencée de 15 à 20 min et circulations tardives (02 h) le samedi soir et le dimanche soir ; multiplication des points d arrêt à proximité des écoles, des entreprises, etc., tout en ayant une vitesse commerciale égale, voire supérieure, à celle des TER classiques grâce à des performances très supérieures au démarrage et au freinage et grâce aux temps d arrêt réduits en station, conséquence des portes larges et nombreuses et de l absence de dénivellation entre le plancher de la rame et le quai ; création de parcs-relais pour voitures et pour vélos à chaque point d arrêt ; correspondances assurées par autobus à la majorité des stations ; grand confort du matériel (sièges spacieux, climatisation, présence de rames «bistro» aux heures de pointe), excellente fiabilité du service, unité tarifaire régionale, etc. Si une perturbation quelconque sur le réseau urbain a peu de conséquences en dehors d une gêne pour la clientèle, les suites peuvent être beaucoup plus graves pour un tram-train qui doit s intégrer sur le réseau ferré dans une fenêtre horaire précise et courte ; si son retard va au-delà de cette fenêtre, le tram-train risque de devoir attendre un temps indéfini avant de recevoir l autorisation de s engager sur les voies du réseau général. 3. Alimentation électrique Si la règle pour l alimentation électrique est de 750 V cc sur les lignes urbaines, les sections périurbaines ont intérêt à être électrifiées avec une tension plus élevée pour réduire le nombre de sous-stations et permettre la circulation de trains régionaux, de grande ligne ou de fret tractés par des locomotives électriques (Mulhouse Thann, Strasbourg Obernai) : V cc, V cc, V 16,7 Hz ca, V 50 Hz ca. En cas de circulation sous-caténaire monophasée, 15 kv ca ou 25 kv ca, les rames doivent être équipées d un transformateur de puissance. Un secteur à courant continu 750 V est séparé d un secteur monophasé par une section neutre, hors tension. Le passage d un secteur 750 V cc à un secteur 15 kv ca ou 25 kv ca s effectue sur la lancée. Le conducteur ayant ramené son manipulateur sur la position neutre, la rame roule sur l erre. Lorsque l archet du pantographe entre dans la section neutre, le relais à tension nulle réagit et ouvre le disjoncteur principal. Lorsque le pantographe entre dans la section monophasée à haute tension, un palpeur électronique identifie la nature du courant et commute le circuit via le transformateur et ferme le disjoncteur. Le conducteur n a aucune manœuvre à faire, il est simplement averti par des voyants lumineux sur le type de courant qui alimente sa rame. Dans le sens inverse, la même opération se répète. 4. Matériel roulant Un tram-train est un tramway qui peut circuler aussi bien sur des lignes urbaines que sur des voies ferrées périurbaines sur lesquelles circulaient, jusqu à présent, en exclusivité, des trains tractés ou poussés par des locomotives pesant 80 à 120 t. La difficulté dans la conception d un véhicule tram-train est de rendre compatible le véhicule pour circuler à la fois sur les voies des tramways urbains et celles des chemins de fer. Pour la circulation en ville, il faut que la cabine de conduite ait des qualités de vision sur l environnement extérieur aussi bonnes que celles dotant les tramways urbains. Il importe également de traiter avec attention la consistance et la forme des bouts d extrémité afin que, en ville, un tram-train ne soit pas plus agressif qu un tramway vis-à-vis des piétons, cyclistes et des automobiles. Les commandes de traction-freinage doivent être similaires dans leur fonction et dans leur disposition. Comme un tram-train circulant en ville s arrête dans les mêmes stations que les tramways urbains, il est important que toutes les portes ouvrent sur des plates-formes à plancher bas, à la fois pour réduire au minimum les temps d arrêt que pour permettre l accès aux personnes handicapées. Au niveau de la circulation d un tram-train sur des voies ferrées périurbaines où circulent des trains de voyageurs ou de fret, la sécurité des voyageurs a engendré une réflexion approfondie de la part des différentes parties intéressées. Si, pour des raisons évidentes comme la charge maximale par essieu, le tram-train ne peut être blindé et sa constitution a une résistance mécanique inférieure à celle d un convoi ferroviaire classique, le système de signalisation mis en œuvre et les caractéristiques élevées d accélération et de décélération aboutissent à un système «globalement au moins équivalent» (GAME), dont les limites n ont d ailleurs pas été encore atteintes par rapport à un système de référence. Au niveau des aménagements intérieurs, le rôle de desserte régionale doit faire privilégier un nombre aussi important que possible de confortables places assises, voire, dans certaines exploitations, des toilettes chimiques et un compartiment «bistro». Enfin, les performances en accélération et en décélération doivent être identiques entre un tram-train et un tram urbain. Un aspect très important à prévoir est la présence, sur chaque type de véhicules, d un attelage mécanique, automatique ou non, permet- D est strictement interdite. Editions T.I.

5 TRACTION ÉLECTRIQUE FERROVIAIRE : LE TRAM-TRAIN Tableau 1 Caractéristiques générales des principaux matériels tram-train en service Constructeurgueur Lon- Puissance Réseau Type N Voie Largeur Année Tensions continue (mm) (m) (m) (kw) Karlsruhe GT8-100C/2S Siemens-ABB 36,57 2, à V cc/15 kvca Karlsruhe GT8-100D/2SM Siemens 36,80 2, à V cc/15 kvca Saarbrücken Saarbahn Bombardier 37,10 2, V cc/15 kvca Genève-La Plaine Bem Bombardier 30,00 2, V cc Kassel I Regio Citadis Alstom LHB 36,50 2, à V cc/15 kvca Kassel II Regio Citadis Alstom LHB 36,50 2, V cc/diesel Aulnay-Bondy Avanto Siemens 36,40 2, à V cc/25 kvca Mulhouse Avanto Siemens 36,40 2, V cc/25 kvca Rotterdam-La Haye Regio Citadis Alstom LHB 36,50 2, à V cc/1 500 V cc Alicante FGV Tren-Tram Vossloh-Alstom 37,01 2, à V cc tant à une rame, tombant en panne sur le réseau urbain, d être poussée par la rame suivante jusqu à une voie de garage. Des câblots électriques alimentés par la batterie de bord, doivent pouvoir relier les deux types de matériel afin que le conducteur de la rame poussée puisse communiquer avec le conducteur de la rame pousseuse et disposer d un minimum d énergie pour l éclairage frontal et la signalisation sonore. Le tram-train, et non le train-tram, est avant tout un véhicule de conception tramway qui est renforcé à ses extrémités frontales pour protéger le conducteur en cas de collision avec un véhicule routier agricole à un passage à niveau non gardé. En raison des vitesses envisagées de l ordre de 100 à 120 km/h, les normes en vigueur imposent un renforcement important des extrémités avec une résistance frontale à la compression égale ou supérieure à 600 kn, contre 200 kn à 400 kn pour un tramway urbain. Il n est pas question de se protéger contre l impact d un tram-train avec un train de fret puisque, dans tous les cas, une signalisation train-sol active veillera à rendre ce genre de collision impossible. Exemple : le matériel tram-train de la ligne Aulnay-Bondy a une résistance frontale à la compression de 600 kn à la hauteur du châssis, 300 kn à la base du pare-brise et de 150 kn au niveau du pavillon. Tous les matériels tram-train réalisés à ce jour sont des véhicules dont le plancher des extrémités est surélevé et repose sur un bogie moteur classique. Les accès aux salles voyageurs se font par des plates-formes rabaissées à un niveau de l ordre de 30 à 40 cm afin de permettre un accès de plain-pied depuis les quais des stations. Sur les voies ferrées périurbaines, s il subsiste des circulations de matériels «grand réseau» qui accostent généralement à des quais plus hauts, ces derniers doivent être éventuellement rabaissés sur une partie de leur longueur, afin de permettre aux voyageurs, y compris les personnes handicapées, de retrouver les mêmes conditions d aspect qu en milieu urbain. Le profil des bandages et des boudins des roues est particulier car il faut qu il permette une circulation libre sur les voies et les appareils de voie du réseau urbain ainsi que le passage sur les appareils de voie du réseau ferré, les normes des appareils des 2 réseaux étant différentes. Figure 2 Saarbahn à la fois tram urbain dans Sarrebruck et tram-train pour le bassin sarrois jusqu en Lorraine (photo GM) Les caractéristiques générales des principaux matériels tram-train en service sont données dans le tableau 1. Les matériels tram-train les plus récents sont ceux de Bombardier pour la Sarre, I «Avanto» de Siemens et le «Regio Citadis» d Alstom LHB ; tous les trois ont des sections à plancher bas pour la circulation dans les centres urbains. 4.1 Bombardier «Saarbahn» Les rames sarroises sont un développement particulier de Bombardier puisqu elles doivent effectuer un service urbain dans la voirie existante de Sarrebruck, rouler à 100 km/h sur 25 km de voies ferrées électrifiées en 15 kv de la DB AG et gravir, en accotement d une route nationale, des rampes atteignant 8 % sur l extension nord vers Riegelsberg et Lebach. Ce sont les premières rames tram-train à circuler sur une section de voies SNCF jusqu à Sarreguemines, en Lorraine (figure 2). Ce sont également les premières est strictement interdite. Editions T.I. D

6 TRACTION ÉLECTRIQUE FERROVIAIRE : LE TRAM-TRAIN rames de ce genre à circuler sur le réseau de la DB AG avec des sections à plancher bas à la cote de 400 mm, et à utiliser le freinage électrique par récupération sur le réseau électrifié national. Bombardier a construit les caisses dans son usine de Vienne, les bogies à Manage (Belgique), le montage dans l usine historique de Bruges tandis que Kiepe (Düsseldorf) a fourni les équipements électriques 750 V cc, Elin, autre firme historique en Autriche, a fourni les équipements pour le 15 kv, les moteurs de traction provenant de l usine Alstom dans son usine d Ornans, dans le Doubs, ex-usine Oerlikon. Chaque rame comporte 3 caisses A-B-C, reliées entre elles par des articulations flottantes et reposant sur 4 bogies moteurs. Les caisses sont en acier soudé avec un habillage extérieur formé de panneaux en aluminium collés sur la structure de caisse, tandis que les bouts d extrémité ont un habillage en polyester. Les caisses A et C sont à plancher bas (400 mm) entre le bogie moteur et la zone d articulation avec la caisse B. C est là que se trouvent les plates-formes d accès et les larges portes doubles. Au droit du bogie moteur, le plancher est relevé à 595 mm puis redescend quelque peu jusqu à la cabine de conduite où une porte simple permet au conducteur de quitter la rame sans traverser le compartiment voyageurs. En raison des fortes rampes à franchir, le matériel est à adhérence totale, toutes les roues étant motrices. Afin de s inscrire dans des courbes de faible rayon, la caisse centrale B repose sur 2 bogies moteurs tandis que les caisses d extrémité A reposent, chacune, sur un bogie moteur et s appuient sur l articulation flottante les reliant à la caisse B. Afin de loger les équipements électriques de puissance, le plancher est à la cote de 800 mm afin de ménager un grand espace technique entre les bogies. La caisse B n a pas de portes donnant vers l extérieur. Cette caisse B comprend, en toiture, le pantographe, le parafoudre, le disjoncteur principal et l appareil détecteur de type de courant. Sous le plancher sont disposés le transformateur de puissance refroidi par huile qui délivre à sa sortie 2 sources alternatives de 400 V ca. Un groupe convertisseur 4 quadrants transforme cette tension alternative en courant continu 750 V cc lequel est à son tour transformé en tension triphasée 480 V ca. Le convertisseur 4 quadrants est refroidi par eau. Les rames peuvent circuler en unités multiples grâce à un attelage automatique intégral, abrité dans le carénage frontal qui s ouvre par une commande effectuée par le conducteur depuis sa cabine. 4.2 Siemens «Avanto» Figure 3 Premier tram-train de France, ligne Aulnay-Bondy en Île-de-France, du type «Avanto» (Siemens TS) Les 15 rames mises en service en novembre 2006 par la région Île-de-France et la SNCF, sur la ligne Aulnay Bondy (TTBA), appartiennent à la famille «Avanto S 70» que Siemens a développé pour le marché nord-américain, à commencer pour Houston, à partir de 2003 (cf. [D 5 551, 2.7]). La grande métropole du sud du Texas, quatorzième ville à réintroduire le tramway depuis 1981, a d emblée intégré le prolongement de la première ligne urbaine jusqu à l aéroport intercontinental George Bush, le quatrième de la nation, distant de 40 km du centre-ville. Le matériel roulant devait faire du service urbain, avoir un plancher bas sur 70 % de sa longueur et, sur la section de ligne conduisant, par la plaine côtière, à l aéroport, circuler à 110 km/h. Siemens a pu répondre aux exigences du cahier des charges avec l avantage de posséder une usine à Sacramento, en Californie, qui a fourni, depuis 1978, des tramways à plusieurs villes nord-américaines. Outre Houston, l Avanto a été récemment fourni à San Diego, Portland, Charlotte, et a été commandé par Calgary. Si ces véhicules sont tous du modèle à 3 caisses sur 3 bogies, couplables en unités multiples, la région Île-de-France a choisi la version rallongée à 5 caisses sur 4 bogies pour des raisons de capacité. Une rame est ainsi constituée de 2 caisses d extrémité reposant chacune sur un bogie moteur, de 2 modules d intercirculation reposant chacun sur un bogie porteur, et d une grande caisse centrale articulée et suspendue entre deux modules. Le premier tram-train de France (figure 3), ligne Aulnay-Bondy en Île-de-France, a été un tel succès commercial qu il a été rangé parmi les projets périurbains prioritaires de la SNCF : le matériel roulant est du type «Avanto» construit par Siemens et terminé par le constructeur alsacien Lohr, à Duppigheim (Siemens TS). La liaison entre deux éléments de caisse adjacents est assurée par une articulation permettant un débattement autour d un axe vertical pour les passages en courbe tandis que les articulations entre chaque caisse d extrémité et son module adjacent permettent un débattement autour d un axe horizontal afin de franchir les passages en creux ou en bosse. Le plancher bas s étend entre les deux bogies moteurs d extrémité et représente 72 % de la longueur. La structure de caisse est constituée de profilés et de tôles en acier mécanosoudés. L habillage extérieur des caisses est réalisé à l aide de panneaux en matière composite collés sur la structure de caisse et facilement interchangeables en cas de collision avec un véhicule routier lors des futures circulations dans la voirie. Les extrémités de la rame sont pourvues d un dispositif d antichevauchement et d un système puissant d absorption d énergie constitué de cylindres coulissants, tenant le rôle d amortisseurs hydrauliques reliés par une traverse horizontale. L ensemble est conçu pour offrir une absorption d énergie modulée en fonction de la puissance énergétique survenant lors d un choc frontal. Ce système permet de protéger la structure lors d une collision survenant entre un wagon de 80 t et le tram-train à l arrêt. Si le choc survient à 25 km/h, la cabine de conduite protège encore le conducteur. Au-delà de cette valeur, la caisse commence à subir des déformations de la structure. Chaque bout avant est habillé d éléments en polyester épousant des formes arrondies pour limiter les effets d un choc avec un piéton ou un véhicule routier. L attelage automatique, lorsqu il n est pas utilisé, est enfermé à l intérieur du nez d extrémité. Afin de limiter les temps d arrêt au minimum, chaque rame est pourvue de 5 portes doubles, d une ouverture de 1,30 m, par face latérale. Quand la rame circule sur le réseau transilien, son gabarit plus étroit que le matériel SNCF ordinaire, a conduit à pourvoir chaque porte d une palette escamotable qui, une fois déployée, forme une passerelle entre le seuil de porte et le quai. La transparence de la rame, pour les voyageurs, est assurée par des baies vitrées de grande dimension et par des passages d intercirculation très larges entre les salles voyageurs et les modules adjacents. La disposition frontale des sièges est de Un système de vidéo-surveillance intérieur fonctionne en permanence et enregistre les prises de vue sur un disque dur. Dans sa cabine de conduite, le conducteur peut surveiller sa rame et sélectionner une prise de vue déterminée. D est strictement interdite. Editions T.I.

7 TRACTION ÉLECTRIQUE FERROVIAIRE : LE TRAM-TRAIN L équipement de puissance, disposé en toiture, comprend un pantographe, dont l archet, plus étroit que celui des tramways courants, est adapté à la géométrie de la caténaire SNCF monophasée. Il est néanmoins conçu pour capter indifféremment le V ca 50 Hz ou le 750 V cc en zone urbaine. Le circuit comprend ensuite les appareils classiques HT : parafoudres 25 kv et 750 V, disjoncteur principal monophasé et à courant continu, détecteur et sélecteur automatique de la tension de la ligne. Lorsque le type de tension est détecté, les onduleurs de puissance sont alimentés, soit directement sous 750 V cc par la ligne aérienne, soit, sous la caténaire 25 kv, par le transformateur de puissance et par deux convertisseurs statiques 4 quadrants IGBT, avec diode de roue libre, transformant la tension alternative délivrée par les enroulements du secondaire du transformateur en courant continu pour l alimentation du convertisseur statique (CVS) pour la traction, le CVS alimentant les circuits auxiliaires. Cette technique, entièrement statique, remplace celle, plus ancienne, du graduateur sur le secondaire du transformateur et des redresseurs au silicium associés. Les deux onduleurs de traction, un pour chaque bogie moteur, fonctionnant sur le principe de la modulation de largeur d impulsion, sont composés, chacun, de trois groupes IGBT qui transforment le courant continu en tension alternative triphasée pour les moteurs de traction. La régulation de la vitesse de rotation de ces derniers s opère par la variation en niveau et en fréquence de ces tensions triphasées. Chaque bogie moteur comporte 2 moteurs de traction asynchrones, hexapolaires, d une puissance continue de 130 kw, accouplé à un réducteur mécanique qui assure la liaison avec l essieu moteur à l aide d un accouplement élastique et une transmission par arbre creux pour laisser un débattement possible et nécessaire entre le réducteur et l essieu afin de tenir compte des inégalités de la voie. Les bogies moteurs, comme la plupart des tramways, sont dotés d une suspension primaire, constituée d éléments alternés de petites plaques d acier et d éléments en caoutchouc assurant la liaison entre les extrémités des essieux et le châssis de bogie. Des roues élastiques, de règle sur les tramways, où des éléments résilients en caoutchouc sont insérés entre le corps de la roue et le bandage, augmentent la douceur et le silence de roulement recherchés ; des tresses en cuivre font le pontage entre la roue et son bandage afin de permettre le retour du courant aux rails. La suspension secondaire est assurée par un montage mixte de ressorts hélicoïdaux en acier avec des éléments en caoutchouc intégrés entre les spires. Chaque bogie moteur est, en outre, équipé de sablières et d un dispositif de graissage des boudins de l essieu d extrémité. Les bogies porteurs, fixés sous les deux modules d intercirculation, sont dépourvus d essieux, afin de rendre possible la continuité du plancher bas, et les 4 roues indépendantes, flanquées d un disque pour le frein de service électro-hydraulique, sont montées en bout d un faux essieu coudé et surbaissé. Il n y a qu une suspension secondaire constituée de quatre ressorts hélicoïdaux avec éléments de caoutchouc interposés. Les quatre bogies sont pourvus d une paire de patins électromagnétiques s appliquant sur chaque rail pour le freinage d urgence. Les boudins des roues ont un profil très particulier car il faut que celles-ci puissent s insérer dans des rails à gorge dont la partie supérieure de la gorge du rail Broca type 41 GP, utilisé pour la première fois en France à Strasbourg pour les extensions postérieures à 1995, présente une ouverture de 41 mm contre 36 mm sur le rail urbain traditionnel Ri 60 ou 35 G, ainsi qu une profondeur d ornière de 46 mm contre 40 mm. Ce profil de roue permet surtout de franchir, sans risque de déraillement, les appareils de voie UIC du réseau ferré national. Deux CVS assurent, en redondance, l alimentation des circuits auxiliaires de la rame en fournissant une tension stabilisée à V. Cette dernière est reprise par un premier convertisseur de 8 kw qui la transforme en 24 V continu pour recharger le bloc batteries alimentant toute la signalisation lumineuse extérieure ainsi que tous les voyants et boutons poussoirs lumineux de la cabine de conduite. Un second convertisseur de 45 kva alimente, sous 810 V, l onduleur triphasé à IGBT qui délivre une tension triphasée de 460 V pour l alimentation du système de ventilation à air pulsé pour la climatisation et le chauffage. Le freinage est assuré au moyens de 4 freins, 2 freins électrodynamiques, à récupération d énergie, et 2 freins mécaniques comme décrit en [D 5 550, 4.8]) sur les freins. L électronique de commande et de contrôle de Siemens appartient à la famille SIBAS 32. Outre ses fonctions de commande des circuits de traction et de freinage, ce système assure des fonctions de contrôle général de la sécurité à bord de la rame, du diagnostic de défauts et une aide à la maintenance par branchement d une valise-test. 4.3 Alstom LHB «Regio Citadis» Les différents intervenants politiques et techniques du Land de Hesse ont confié aux transports publics de Kassel, associés aux transports urbains de Brême, Brunswick, Chemnitz et Rostock, de rédiger le cahier des charges de 28 rames type «Regio Citadis» au groupe Alstom qui les fait construire dans son usine LHB de Salzgitter. Ces rames doivent relier le centre de Kassel à un certain nombre de villes desservies par les voies de la Deutsche Bundesbahn AG et pourraient intéresser d autres villes d Allemagne du Nord qui ont des projets semblables. Le choix s est d abord porté sur des lignes électrifiées en 15 kv 16,66 Hz ca : Kassel HB Warburg 52 km ; Kassel Wilhelmshöhe Kassel HB Melsungen 29 km. Pour relier le centre ville de Kassel à ces villes, un raccordement entre le réseau des tramways urbains de Kassel et les voies de la DB a été réalisé à la gare centrale (HB) de Kassel. Les fréquences fixées sont de 30 min au minimum. Le gabarit actuel des tramways urbains est de 2,40 m mais afin d exploiter au mieux le gabarit plus généreux des chemins de fer, les rames Regio Citadis ont une largeur de 2,65 m ce qui permet de placer 4 sièges de front. Afin de s inscrire dans les stations du réseau urbain de Kassel, le bas des jupes de caisse est galbé de manière à retrouver le gabarit de 2,40 m, notamment au niveau des seuils de porte. C est le même problème qui se pose en France pour les villes qui exploitent des tramways au gabarit de 2,40 m (Strasbourg, Lyon, etc.) et qui ont des projets de tram-train, à l exception de Montpellier, Mulhouse et Paris (T3) qui ont eu la clairvoyance de fixer, d emblée, le gabarit urbain à 2,65 m. Le Regio Citadis est une rame articulée comportant 3 caisses en acier reposant sur 4 bogies dont deux sont motorisés. Sur l exemple de Karlsruhe, sur les voies ferrées du réseau fédéral de la DBAG de la Région de Kassel (Hesse), les trams-trains utilisent ensuite les voies du réseau urbain pour desservir le centre ville de Kassel ; une petite série de trams-trains est dotée d un moteur Diesel pour circuler sur les lignes secondaires encore non électrifiées (figure 4). Afin de pouvoir s inscrire dans des courbes de 22 m de rayon, la caisse centrale repose sur les deux bogies porteurs, les caisses motrices d extrémité reposant, chacune, sur l un des bogies moteurs et s appuyant sur l articulation la reliant à la caisse centrale. Entre les bogies moteurs, le plancher est à la cote de 413 mm mais, au niveau des 8 portes situées dans les deux caisses motrices, le plancher comporte des plans inclinés vers l extérieur, ce qui amène les seuils de porte à la cote de 360 mm. Au-dessus des bogies moteurs, le plancher est relevé à la cote de 663 mm et le passage d un niveau à l autre se fait par l intermédiaire d une marche et d une légère inclinaison du plancher haut. Les quais des stations sont à la cote de 20 cm dans la ville de Kassel et de 38 cm, voir 55 cm, dans les gares de chemin de fer. Afin de combler la lacune demeurant entre le plancher du tram-train et les quais au gabarit UIC des chemins de fer, des est strictement interdite. Editions T.I. D

8 TRACTION ÉLECTRIQUE FERROVIAIRE : LE TRAM-TRAIN Figure 4 Tram-train utilisant les voies du réseau urbain pour desservir le centre ville de Kassel (Hesse) (photo H. Hondius) Figure 5 Image de synthèse d une future rame «Citadis Dualis» (doc. Alstom) rampes fixes, rangées dans un coffre, peuvent être posées afin de former une passerelle entre le seuil des portes d extrémité et le quai de la gare. Les bogies moteurs du Regio Citadis sont d une conception assez classique puisque chaque essieu est entraîné par un moteur de traction au moyen d un arbre creux et d une transmission par cardan. Une traverse danseuse supporte la caisse. Les bogies porteurs sont dotés de faux essieux fixes surbaissés au bout desquels sont montées des roues folles, indépendantes, chacune d entre elles étant accolée à un disque de frein électrohydraulique. L équipement de traction est bicourant V ca/600 V cc. Il comprend, en toiture, le pantographe, le palpeur de type de courant, le disjoncteur principal, le transformateur de puissance de 510 kva, pesant 2,6 t et une tension de sortie de 492 V ca, chaque moteur étant alimenté, sous tension monophasée, par un redresseur-convertisseur statique à 4 quadrants et un onduleur IGBT délivrant la tension triphasée. 3 autres convertisseurs statiques servent à l alimentation des circuits auxiliaires et 2 blocs de batteries, rechargées par les CVS, assurent la distribution du 24 V cc de bord nécessaire à l alimentation de la signalisation, de l éclairage, des patins électromagnétiques, etc. Le freinage de service est par récupération d énergie ou rhéostatique en cas d insuffisance, puis, à basse vitesse, électro-hydraulique à 3 crans sur les bogies moteurs et à réglage fin sur les bogies porteurs. Pour le freinage d urgence, chaque bogie est pourvu de 4 patins électromagnétiques. Les rames hybrides ont un équipement 600 VCC pour la circulation en ville et 2 groupes thermiques pour la circulation sur les voies ferrées non électrifiées. Ces derniers, disposé en toiture, comprennent, chacun, un moteur Diesel MAN 6 cylindres de 375 kw à tr/min accouplé à une génératrice Alstom de 300 kw. Malgré l absence du transformateur et des redresseurs, la tare à la place offerte du tram-train hybride est de 6 % supérieure à celle du tram-train électrique bicourant. Le nouveau réseau hollandais RandstadRail reliant les tramways de La Haye à ceux de Rotterdam, via l ancienne ligne des chemins de fer de l état NS électrifiée en V cc, exploite 50 rames qui sont une version bitension du Regio Citadis d Alstom LHB. La partie mécanique et les dimensions sont identiques aux rames de Kassel mais la caisse porteuse centrale est dotée d une cinquième plateforme, disposition bien adaptée à un parcours où les stations sont rapprochées. L équipement de traction est grandement simplifié puisque le circuit de puissance ne comporte plus qu un bloc hacheur et des onduleurs qui, suivant la tension de ligne détectée, 600 V cc ou V cc, alimentent les 4 moteurs de traction triphasés asynchrones avec le même niveau de tension. Le comparaison des principales caractéristiques des 3 trams-trains récents sont données dans le tableau Alstom «Citadis Dualis» Devant les succès indéniables à l étranger et l intérêt croissant de plusieurs régions françaises devant la formule du tram-train, l usine Alstom de La Rochelle ne pouvait ignorer ce nouveau marché et étudia une nouvelle gamme de véhicules, officiellement dérivés des tramways Citadis, notamment son faible gabarit en hauteur et le principe de la modularité pour créer des rames de longueur et de capacité variables. Il s agit, en fait, d un développement nouveau au sujet duquel peu de détails ont été communiqués si ce n est que c est un véhicule à plancher bas intégral à caisse en acier léger et que la motorisation prévue est du type synchrone avec moteurs à aimants permanents. À l encontre du Citadis standard, le Dualis (figure 5) serait équipé de véritables bogies, pouvant pivoter sous la caisse, dotés d essieux ordinaires. Chaque bogie moteur serait doté de 2 moteurs de traction triphasés synchrones, disposés longitudinalement à l extérieur du cadre de bogie, chaque moteur entraînant, au moyen d un arbre et d un réducteur, une roue, celle-ci entraînant l autre par l intermédiaire de l essieu commun, la roue dépourvue du réducteur comportant le frein à disque. Cette technique permettrait d offrir plus de confort à grande vitesse. Il en résulte un bogie très compact, s accommodant du plancher surbaissé sur toute la longueur du véhicule. Suivant le profil des lignes à exploiter avec ce matériel, le nombre de bogies moteur peut être variable afin de conserver des qualités d adhérence suffisantes. C est un retour à une conception des bogies plus classique qui préfigure, peut-être, une future nouvelle génération de Citadis. Dans le tableau 3 sont données les principales caractéristiques des 3 variantes. D est strictement interdite. Editions T.I.

9 TRACTION ÉLECTRIQUE FERROVIAIRE : LE TRAM-TRAIN Tableau 2 Comparaison des principales caractéristiques de 3 trams-trains récents Réseau Saarbahn Transilien Avanto Kassel Regio Citadis Constructeur mécanicien... Bombardier Siemens Alstom LHB Constructeur électricien... Kiepe/Elin/Alstom Siemens Alstom Type... Saar Avanto RegioCitadis Années à à à 2005 Nombre en service + options Configuration d essieux... Bo Bo Bo Bo Bo 2 2 Bo Bo 2 2 Bo Construction de la caisse... acier/aluminium acier acier Résistance frontale à la compression... (kn) Longueur hors tout...(m) 37,10 37,50 36,76 Largeur hors tout...(m) 2,65 2,65 2,65 Nombre de portes Largeur portes... (mm) Plancher bas % 72 % 67 % Hauteur plancher bas... (mm) Hauteur plancher aux seuils de portes... (mm) Hauteur plancher au-dessus bogies moteurs... (mm) Hauteur plancher de la caisse centrale... (mm) Places assises/total (4 voy/m 2 )... 96/169 80/242 90/217 Tare en état de marche... (t) Tension d alimentation en courant continu V cc 750 V cc 600 V cc Tension d alimentation en courant monophasé kv 16,66 Hz ca 25 kv 50 Hz ca 15 kv 16,66 Hz ca Onduleur pour la traction... IGBT IGBT IGBT Type de moteur de traction... triphasé asynchrone triphasé asynchrone triphasé asynchrone Nombre et puissance continue des moteurs kw kw kw Freinage électrique... récup. + rhéost. récup. + rhéost. récup. + rhéostat. Freinage mécanique... élec.hydr./patins élec.hydr./patins élec.hydr./patins Empattement bogie moteur/bogie porteur... (mm) / /1 900 Diamètre roue motrice/roue non motorisée... (mm) 660/ 660/ /660 Roue élastique... Bochum 84 Bochum SAB V60 Vitesse maximale autorisée...(km/h) Rayon de courbe minimum...(m) Marche en UM avec attelage rétractable... oui oui oui UM unités multiples (soit 2 rames accouplées, commandées par le même conducteur) est strictement interdite. Editions T.I. D

10 TRACTION ÉLECTRIQUE FERROVIAIRE : LE TRAM-TRAIN Tableau 3 Tram-Train «Citadis Dualis» principales caractéristiques des 3 variantes Caractéristique Version courte Version de base Version longue Longueur hors attelages...(m) 32,00 42,00 52,00 Nombre de caisses Largeur hors tout...(m) 2,40 ou 2,65 2,40 ou 2,65 2,40 ou 2,65 Hauteur maximale, pantographe replié...(m) 3,5 3,5 3,5 Configuration d essieux... Bo 2 Bo Bo Bo 2 2 Bo Bo Bo Bo Bo Diamètre des roues neuves... (mm) Nombre de portes Largeur des portes...(m) 1,30 1,30 1,30 Places assises... 68(*) 92(*) 116(*) Capacité totale (*) 251(*) 292 Tare en état de marche...(t) non connu 70 non connu Charge à l essieu maximale (1)...(t) 11,5 Rayon de courbure minimal...(m) 25 Tension d alimentation en urbain... Tension d alimentation en périurbain... Chaîne de traction V cc V cc ou V 50 Hz IGBT, moteurs synchrones à aimants permanents Puissance continue...(kw) 900 Accélération maximale au démarrage... 1,05 m/s 2 de 0 à 40 km/h Décélération maximale de 70 à 0 km/h... 2,8 m/s 2 Décélération maximale de 100 à 0 km/h... 2,5 m/s 2 Résistance frontale à la compression... Marche en unités multiples kn oui * suivant aménagements (1) en CCM (capacité en charge maximale : 1 voyageur/siège + 6 voyageurs debout/m 2 ) D est strictement interdite. Editions T.I.

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