Transports électriques urbains

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1 Transports électriques urbains Équipements électriques du matériel roulant par Jean-Louis CIBOT Ingénieur de l École Supérieure d Électricité Chef des ateliers de Choisy à la Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP) 1. Historique... D Généralités Évolution depuis Appareillage électrique embarqué Besoins et contraintes Exemple de réalisation : métro parisien du type MF Appareils et fonctions spécifiques au matériel roulant de type métro Captage du courant en haute tension Cabine de conduite et dispositifs liés à la sécurité et à la conduite Commandes et contrôles des fonctions réparties le long du train Échanges de voyageurs et commande des portes Spécificités des équipements embarqués des tramways ou des trolleybus Dispositions de sécurité appliquées à bord des matériels roulants ferroviaires Concepts et méthodes Exemples simples de dispositifs de sécurité Sécurité réalisée par moyens informatiques Architecture future des trains Utilité d une architecture informatique Objectifs d une architecture informatique Description de l architecture informatique du MF Conclusion Pour en savoir plus... Doc. D L article Transports électriques urbains fait l objet de plusieurs articles : Conception du matériel roulant [D 5 551] ; Équipements électriques du matériel roulant [D 5 552] ; Équipements de traction [D 5 553] ; Distribution d énergie. Automatismes de contrôle [D 5 554] ; et les sujets traités ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres articles. Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

2 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS 1. Historique 1.1 Généralités Le métro de Londres est inauguré en 1863, avec des locomotives à vapeur, et, en Europe, les tramways fonctionnent alors à la vapeur et même à l air comprimé [1]. De tels systèmes présentent des sujétions très contraignantes en milieu urbain dense, a fortiori en souterrain (difficulté d approvisionnement en énergie des véhicules ; nuisances de la vapeur ; nécessité d une source d énergie différente pour assurer l éclairage ; etc.). L électricité sort des ateliers des inventeurs ou des laboratoires vers 1870 et les ingénieurs saisissent tout le parti qu ils peuvent en tirer dans le cadre des transports. Souplesse, propreté, salubrité, largeur du champ d application sont les maîtres mots qui motivent ces ingénieurs pour son adoption. En France, le premier essai de tramway électrique remonte à 1881, lors de l Exposition de l électricité à Paris. Après bien des hésitations, la solution électrique s impose dans le projet de métro retenu par la municipalité parisienne. Ce projet, ratifié par une loi du 3 mars 1898, se concrétise le 19 juillet 1900 par l ouverture de la première ligne du réseau. Les rames de l époque sont constituées de trois voitures, une motrice et deux remorques, à deux essieux chacune. Les caisses sont en bois. L appareillage électrique n assure qu un nombre limité de fonctions. Volumineux pour sa puissance, il n est pas toujours fiable et bien dimensionné. La distinction qui est faite de nos jours entre circuits de commande et de puissance n existe pas vraiment : tous les organes électriques fonctionnent en courant continu, sous 600 V, tension prélevée par les frotteurs sur le troisième rail. 1.2 Évolution depuis 1900 Au cours du premier tiers du XX e siècle, on ne constate pas d évolution notable dans l organisation des circuits électriques équipant les tramways et les rames de métro. Seuls se font jour quelques perfectionnements tels que, par exemple, l utilisation de servomoteurs et d arbres à cames qui rendent automatique le passage des crans rhéostatiques ou bien le changement de couplage des moteurs de traction, connectés en série puis en parallèle, ce qui réduit les pertes dans les rhéostats de démarrage. Tout en intégrant ces progrès, la finalité de la distribution électrique à bord des véhicules reste inchangée pendant trente ans. Il s agit de permettre les commandes simultanées de plusieurs voitures depuis les cabines de conduite, d assurer l éclairage et, éventuellement, le chauffage des voitures, de produire de l air comprimé pour l actionnement des freins et des portes. Des exigences accrues de sécurité et de confort amènent les concepteurs, à partir de 1935, à compliquer ces dispositions simples, tout d abord en réduisant la tension de travail des appareils de commande, en particulier ceux manipulés par le personnel. On va ainsi introduire des batteries d accumulateurs électrochimiques, que l on recharge par le courant de retour des circuits auxiliaires (moteur de compresseur et éclairage) et qui assurent également l alimentation de l éclairage de secours. On réalise ensuite, dans les années cinquante, l isolation galvanique des circuits de commande du troisième rail en introduisant des convertisseurs tournants : un moteur à courant continu, alimenté sous 750 V, entraîne une génératrice continue ou alternative délivrant une tension inférieure à 80 V servant à alimenter les circuits de commande et à permettre une recharge plus fine des accumulateurs. Ces mêmes générateurs vont également permettre de maîtriser l excitation des moteurs de traction en freinage électrique. Le souci de rendre les véhicules de transport en commun plus attractifs et plus confortables conduit, à partir de 1960, à l installation de systèmes de ventilation, voire de climatisation, et à l augmentation des niveaux d éclairement dans les voitures. À partir de 1970, le bilan de puissance, déjà élevé, de tous ces circuits va encore s accroître avec l introduction progressive de l électronique embarquée. L augmentation des besoins a deux conséquences évidentes : l augmentation de la puissance nominale des convertisseurs tournants (20 kva) et de la capacité des accumulateurs électrochimiques (35 Ah sous 72 V) ; la complexité du câblage : de la qualité de sa réalisation et des soins apportés à son installation dépend en grande partie la disponibilité opérationnelle des trains. À ce jour, on constate que la fourniture électrique des trains récemment construits (depuis 1970) remplit des fonctions très diversifiées, correspondant à un accroissement certain du service rendu. Toutefois, ces extensions ne doivent pas avoir comme contrepartie systématique une diminution sensible de la disponibilité. Nous verrons, au paragraphe 6, que la solution réside dans une architecture informatique et un réseau local de transmission associé, destinés à équiper les trains des années quatre-vingt-dix. Ils devraient permettre de remplir avec moins de matériel, notamment de connectique, un fonctionnel (ensemble des fonctions remplies par un train) plus étendu et automatiquement reconfigurable. 2. Appareillage électrique embarqué 2.1 Besoins et contraintes Les conditions d utilisation de cet appareillage étant particulières, il convient de préciser les besoins et les contraintes. Les exemples cités ci-après sont tirés de la réalisation, décrite au paragraphe 2.2, des rames du métro parisien du type MF Séries d appareils ou de sous-ensembles À raison de deux groupes par train, augmentés d un parc de rechange de 20 unités ; le matériel MF 77 utilise au total 414 groupes motocompresseurs. Son parc de moteurs de traction est constitué de unités, moteurs de rechange compris. Pour des appareils plus petits (environ une dizaine de kilogrammes), les quantités peuvent être plus élevées, mais elle dépassent rarement Les séries sont donc de taille moyenne et, l effet d échelle étant faible, le coût unitaire des appareils construits spécialement pour le ferroviaire est en général plus important que celui des équivalents industriels. Les études et les outillages représentent donc une part non négligeable des marchés de construction (5 % dans le cas du MF 77) Environnement L essentiel de l appareillage est installé sous le châssis des véhicules (figure 1) ou sur les bogies, afin d offrir aux voyageurs la surface d accueil maximale. Même l électronique bas niveau se trouve sous le plancher. Toutefois, dans le cas des tramways, on cherche à réaliser des planchers surbaissés afin de faciliter l accès depuis le sol ; on est alors contraint d installer du matériel électrique soit sous les sièges (batteries d accumulateurs, équipement électronique), soit sur la toiture (rhéostats, coffres de l appareillage de puissance). D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

3 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Figure 1 Disposition des équipements sous un châssis de motrice du matériel MF 77 Il faut donc concevoir un matériel électrique : n excédant pas, en hauteur, 450 mm environ, enveloppe comprise ; disposé de façon à être suffisamment accessible pour sa maintenance ; adapté à un environnement chargé en poussières et en vibrations. Le nettoyage des équipements électroniques refroidis par l air extérieur est un réel problème : il est difficile à réaliser et il est coûteux. Cela explique le succès actuel des techniques consistant à plonger les composants de puissance dans des enceintes étanches remplies de Fréon et équipées d échangeurs avec l air extérieur. L insensibilisation aux vibrations est impérative dans le cas d un montage sur bogie : à titre d exemple, on relève sur les châssis de bogie des chocs de 50 g et des vibrations quasi entretenues dans la bande de fréquence de 5 à 50 Hz, avec des amplitudes de l ordre du millimètre. Pour le matériel monté en caisse, ces contraintes sont moins sévères, grâce au découplage obtenu par la suspension secondaire Alimentation électrique Bien que les tensions d alimentation des réseaux de traction obéissent aux normes internationales CEI 850 et UIC 600, les particularités sont nombreuses. De plus, malgré les progrès réalisés en matière de convertisseurs, le réseau embarqué n offre pas la stabilité d un réseau industriel. Il se produit des coupures aux changements de voie ou des interruptions fugitives dues aux décollements des organes de captage. Indépendamment de ces interruptions, les appels de courant des trains, le freinage à récupération et la mise hors service des postes de redressement provoquent des variations importantes de tension ; par exemple, la tension continue, de 750 V en principe, évolue entre 500 et 900 V. L appareillage doit fonctionner correctement dans cette plage. Les convertisseurs de puissance atténuent suffisamment les fluctuations sur les réseaux du train pour la majorité des charges. Toutefois, pour certains circuits électroniques, il est nécessaire d adopter des alimentations stabilisées. Il faut donc trouver le juste compromis entre les exigences des circuits et la limitation du nombre de sources. La redondance des alimentations est une solution séduisante s il lui est associé une détection efficace des pannes ; mais cette conception est onéreuse. En ce qui concerne la rigidité diélectrique, les tensions de tenue doivent être de V pour les appareils raccordés au troisième rail et au réseau alternatif à 250 V et 250 Hz, et de V pour ceux raccordés au réseau continu à basse tension à 79 V Compatibilité électromagnétique Le matériel électrique monté sur les rames ou les tramways doit présenter une bonne compatibilité. Bien que des courants de plusieurs 10 3 A circulent, les perturbations créées par le rayonnement électromagnétique sont rares et résolues efficacement par un blindage approprié. En revanche, les perturbations par conduction sont plus fréquentes ; le train a une longueur d une centaine de mètres et les références de potentiel, en particulier la masse, sont variables le long de la formation. L électricien et, a fortiori, l électronicien ont donc intérêt à s interroger sur la validité de ces références, d autant plus que les signaux transmis s éloignent du continu et présentent des fronts raides Maintenabilité Le matériel roulant est destiné à durer trente à quarante ans. La maintenance doit être simplifiée. En effet, la disponibilité d une installation est la combinaison de la fiabilité et de la maintenabilité (article Fiabilité. Maintenabilité [T 4 300] dans le traité L entreprise industrielle) ; on ne peut se contenter de choisir du matériel très fiable, car il exige, sur de telles durées, un entretien préventif minimal Tenue au feu des matériaux L exploitation d un métro occasionne de fortes concentrations humaines dans un espace clos ; les matériaux utilisés doivent avoir une bonne tenue au feu, c est-à-dire une faible inflammabilité et l absence d émission de fumées toxiques ou opaques. Un gros travail de sélection de produits adaptés a été réalisé dans les années soixante-dix et il se continue inlassablement depuis, en particulier dans le domaine des gaines isolantes des conducteurs électriques. Cette recherche a également utilisé les résultats obtenus par l industrie aéronautique. Cette préoccupation a ainsi conduit à retenir, comme isolants des câbles des rames MF 77, des matériaux à base de produits polyimides ou hypochlorosulfonés. Ces critères de sélection sont d autant plus sévèrement appliqués que la masse du matériau est importante. Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

4 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Remarque Malgré toutes ces particularités, il est tout à fait possible d équiper certaines fonctions avec des appareils issus de fabrications industrielles, par exemple des tubes fluorescents ou des motoventilateurs, ce qui correspond à une économie évidente ; il faut toutefois définir correctement les conditions réelles d utilisation, ce qui s avère difficile à l usage. Cette démarche est d autant plus naturelle que les tensions distribuées sur le train sont celles couramment utilisées dans d autres domaines. En résumé, l équipement électrique, toutes catégories confondues, travaille dans un environnement difficile. Le matériel spécifié obéit à des critères nombreux, qui restreignent les possibilités de choix et justifient souvent le recours à des fabrications spéciales. 2.2 Exemple de réalisation : métro parisien du type MF 77 Ce matériel, caractéristique de la fin des années soixante-dix, est l une des premières constructions où la part de l électronique est devenue prépondérante. La transmission des ordres et des informations et la plupart des traitements logiques sont toutefois réalisés en câblage classique. Le recul de dix années d exploitation permet de porter un jugement sur l adéquation de ces rames à l objectif de leurs spécifications Caractéristiques générales Mis en service à partir de 1978 sur trois lignes (7, 8, 13) du réseau de Paris, ce matériel (figure 2) peut circuler sur l ensemble des lignes du réseau à roulement métallique. À vide et en ordre de marche, la masse d un train est de 121,5 t. En charge normale, il transporte 800 voyageurs et est capable de rouler à la vitesse maximale de 100 km/h. Sa construction, entamée par la Société Franco-Belge, fut reprise et terminée par la Société Alsthom. Fin 1989, chaque rame a parcouru en moyenne environ km. Le tableau 1 présente les caractéristiques de service effectué par ce matériel et le tableau 2 fournit les informations essentielles concernant sa maintenance Descriptif de l appareillage embarqué Nota : on trouvera l inventaire des appareils nécessaires à la réalisation des fonctions pour un train dans le tableau 8. Ces appareils constituent la part principale du matériel électrique embarqué, mais il ne faut pas sous-estimer l importance du relayage et du câblage ( 1.2 b) : les tableaux 3 et 4 décrivent les moyens mis en œuvre pour relier entre eux et actionner les appareils. En pratique, on constate que l exploitation est plus souvent perturbée par des avaries de détecteurs de fin de course, de relais ou de connectique que par celles des moteurs et des équipements de traction, qui pèsent plutôt sur les dépenses d entretien. L expérience en service du MF 77 (tableaux 1 et 2), montre que l objectif des spécifications est en grande partie atteint : la qualité de service perçue par l exploitant est bonne (dans le tableau 1, les résultats concernant les retards en exploitation). En ce qui concerne la part électrique, l immobilisation encore trop élevée pour l entretien curatif (tableau 2) peut être attribuée à un effet de nombre : d une part, l électronique des années soixante-dix, à fonctionnel égal, nécessitait plus de composants que l électronique actuelle ; d autre part, les 75 km de câbles (1 km par mètre de train) et les points de connexion définissent la limite de ce qui est réalisable en technologie classique de commande et de contrôle. Enfin, à l exception de la traction, les fonctions utilisent des moyens de diagnostic simples mais peu performants, étant donné la quantité de circuits que l on voudrait couvrir. La compétence et le temps passé par le personnel chargé du dépannage sont décisifs (tableau 2). Le temps consacré au diagnostic devrait s amenuiser à l avenir grâce à la généralisation de la notion d autotest, offerte gratuitement par les équipements programmables ( 6.3.4) Distribution des énergies électriques et pneumatiques Les deux sources d énergie utilisées sur le matériel MF 77 sont l électricité et l air comprimé. Figure 2 Caractéristiques dimensionnelles du matériel MF 77 (0) (0) D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

5 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Tableau 1 Caractéristiques de service du MF 77 : lignes 7, 8 et 13 ; 196 trains ; année 1987 Environnement d exploitation et de garage... Site propre, souterrain et aérien Type de conduite... Entièrement automatique ou manuelle contrôlée Intervalle entre rames... (s) 90 Voyageurs transportés par an Kilomètres annuels parcourus par les trains...(km) Heures passées par les trains en exploitation...(h) Kilomètres annuels parcourus par un train...(km) Maximal 20 Temps de fonctionnement journalier d un train...(h) Moyen 7,6 Moyen pour un jour ouvrable d hiver 9,2 Vitesse maximale pratiquée en exploitation...(km/h) 70 Consommation électrique moyenne par kilomètre parcouru par un train... (1) (kwh) 9,25 Tous retards Retards < 5 min Retards > 3 à 5 min Nombre d incidents avec retard (2) ramené au million de kilomètres parcourus par un train ,2 12,8 Temps d exploitation moyen entre retards (2) générés par un train...(h) Temps d exploitation moyen séparant deux anomalies apparaissant sur un train (3)...(h) 27 (1) Il s agit d une valeur déduite des mesures réalisées au niveau des postes de redressement. Elle tient donc compte de la traction, du freinage à récupération et des auxiliaires. (2) Ces retards sont les retards bruts, dont la cause est le matériel roulant seul. (3) Les anomalies regroupent tous les écarts constatés entre l état du train et son état théorique, y compris les plus minimes même s ils n ont pas provoqué de retard (tubes fluorescents ou lampes de signalisation éteints, défauts intermittentes, etc.). Tableau 2 Caractéristiques principales de la maintenance du MF 77 Nature de l opération Intervalle kilométrique (km) Périodicité Temps d immobilisation Visite de sécurité semaines 2 heures Maintenance préventive Entretien semaines 1,5 jour Grande révision > > 9 ans 5 semaines Maintenance curative (durée moyenne d une réparation : 1 heure) Elle se caractérise par trois niveaux de dépannage. Le 1 er niveau consiste à faire l échange du sous-ensemble avarié sur le train. Le personnel d entretien est aidé pour identifier ce sous-ensemble par : les signalisations à bord du train ; les testeurs, sous forme de chariots ou de valises à raccorder au train ; les systèmes d autotest embarqués (à partir de 1984). Les 2 e et 3 e niveaux constituent le dépannage fin de l organe ou du tiroir, dépannage réalisé dans un atelier spécialisé. Préventif Curatif Total Parc immobilisé en permanence pour la maintenance (nombre de trains) (5,6 % du parc) 28 Coût de la maintenance (1) : en francs par kilomètre parcouru par un train... 7,50 3,20 10,70 en pourcentage...(%) (1) Données provenant de la comptabilité analytique de la RATP pour l année Les figures 3 et 4 présentent les schémas de principe des distributions d électricité ainsi que les générateurs et les principales charges mises en jeu, dont les caractéristiques sont décrites en annexe dans le tableau 8. Les voitures d un train sont reliées par des attelages semi-automatiques, dimensionnés à dan, en traction et compression, absorbant le choc et assurant la traction ainsi que la continuité d équilibre d alimentation en air comprimé (figure 4). On distingue trois réseaux électriques : la haute tension continue (750 V) ; la moyenne tension alternative triphasée (250 V ; 250 Hz) ; la basse tension continue régulée (79 V), secourue par les batteries. Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

6 D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique Figure 3 Distribution de la haute tension continue (750 V) sur le matériel MF 77 Figure 4 Génération et distribution de la moyenne tension (triphasée 250 V ; 250 Hz) de la basse tension (continue 79 V) et de l air comprimé (6,8 à 8,2 bar)

7 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS La continuité des circuits électriques est obtenue grâce à un jeu de câblots souples, raccordés aux voitures par coupleurs. À chaque extrémité de voiture intermédiaire, les embases de ces coupleurs sont groupées dans une niche du côté droit de la voiture. Les coupleurs de câblots haute tension sont du côté gauche. Cette disposition implique la même orientation de toutes les voitures dans la formation sauf, bien entendu, l une des motrices d extrémité (M). Pour ces dernières, qui doivent être identiques, les embases sont dédoublées et câblées en parallèle en bout arrière, pour permettre la formation correcte du train. À partir de ces schémas, il est possible de décrire le fonctionnement de ces différentes distributions : La haute tension (HT) arrive sur les voitures par quatre dispositifs de prise de courant (figure 3). En motrice (M) et (NA), on trouve : les frotteurs (FT) ; la prise d atelier (PATL) raccordée à l extérieur par un trolley (il existe une prise à droite et une à gauche) ; la prise d essai à blanc (PEB), délivrant une puissance réduite aux équipements de traction. Un commutateur télécommandé (KAHT) permet de connecter les circuits à alimenter à la prise sous tension. En remorque (B), la prise d alimentation des auxiliaires (PAAX) est associée à un commutateur (KAAX). La motrice (NA) alimente ses équipements de traction et, également, ses auxiliaires au travers d un contact du KAAX de la remorque adjacente. Les groupes motocompresseurs MCP et les convertisseurs sont installés sur les remorques. Étant donné l importance des générateurs, un montage particulier a été adopté pour l alimentation des remorques en haute tension, qui peut provenir de l une ou l autre des motrices les encadrant. Un contacteur basculeur (CAVR) prélève, en situation normale, la tension sur la motrice adjacente arrière. En cas d interruption de l alimentation de celle-ci, le contacteur bascule automatiquement vers les motrices avant, assurant ainsi la disponibilité maximale de l alimentation du compresseur et du convertisseur. Les distributions de la moyenne tension (MT) et de la basse tension (BT) ne présentent pas de difficulté particulière (figure 4). Un groupe convertisseur délivre la moyenne tension triphasée sur deux ou trois voitures, selon la position du rupteur contacteur de transfert (CTFA) qui assure la disponibilité maximale de l alimentation de la ventilation des hacheurs et de celle du pilote automatique PA. La basse tension continue de 79 V est obtenue par des transformateurs-redresseurs (TR) (pont de diodes) de moyenne tension ; sa régulation est le résultat des régulations de tension et de fréquence de la moyenne tension. Lorsque pour une cause quelconque, le potentiel de BT régulée diminue d environ 10 V, les deux batteries d accumulateurs (BA) peuvent débiter en parallèle au travers de diodes anti-retour ; à chaque batterie est associé un chargeur (CH) qui permet d entretenir la batterie sans risque de surcharge. La tension permanente fournie par les batteries d accumulateurs est utilisée en particulier pour initialiser la mise en service du train. Il faut noter que le retour du courant à basse tension au pôle négatif des générateurs est assuré par les caisses des voitures, considérées comme équipotentielles. La distribution de l air comprimé est réalisée par la conduite d équilibre (figure 4) Bilan des consommations électriques Le tableau 5 récapitule l ensemble des consommations d énergie électrique à bord du train. (0) Nature de l appareil Relais tout ou rien Temporisateur Relais de mesure Type Tableau 3 Descriptif du matériel de relayage équipant le MF 77 Quantité par train Nombre de points de raccordement par appareil Type de raccordement I n (A) électriques Modèle B Clip et languette 5 mm à U (V) Caractéristiques τ (ms) Nombre de contacts 4 contacts travail Inverseur 4 contacts repos Modèle C Clip et languette 5 mm 8 50 à translateurs simples Mors Relais bistable type Clip et languette 5 mm à contacts repos, 2 travail Mors Fournisseur Chauvin Arnoux, Mors à transistor unijonction piloté par circuit RC Clip et languette 5 mm 50 à 90 Chauvin Raccordement Arnoux, Mors 5 dont 2 pour boulonné Relais sur barre 17 la puissance, Clip et languette 6,3 mm Servo (courant)... 3 pour les circuits auxiliaires Contact (tension)... 9 Clip et languette 6,3 mm 500 à contact repos, 1 travail Servo Contact Tableau de blocs à jonction (par extension) Bornier ligne de train ( 3.3) à vis sur cosse fermée moyenne 4 mm 300 Bornier voiture Clip et languette 6,3 mm Entrelec ou Air LB I n courant nominal ; U tension ; τ constante de temps de la bobine. (0) Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

8 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Puissance Fonction Tableau 4 Descriptif des câbles électriques équipant le MF 77 Longueur Souplesse Section Enveloppe totale Âme de l âme de la gaine par train (mm 2 ) (1) (m) Traction à Distribution MT-BT... 2,5 à 16 Polyéthylène chlorosulfoné Cuivre étamé Classe 5 Bogie captage Liaison caisse-bogie à Coffre semi-conducteur 125 Enrubannage en tissu Barre aluminium Classe 6 de verre poreux préformée rigide Raccordement Boulonné, avec cosse fermée à fût serti sur l âme Fabricants du câble Silec 70 Boulonné Jeumont Schneider 0,93 à 1, lignes de train 1 1,82 unitaire blindé 900 Clip Filotex et câblage de voitures 2 1,24 paire blindée Polyimide Cuivre et languette Fileca Câblage coffre 4 0,93 quarte blindée 550 Commande Fond de panier du coffre électronique Classe 5 Système Termipoint de commande... 1 PVC Cuivre étamé et connecteur serti Coffre régulation Clip et languette Filotex du convertisseur... 2,5 Polyimide 200 ou connecteur serti Fileca de marque Socapex Liaison entre voitures 24 coupleurs de commande... 3 (6 1,5) + 3 paires blindées 1,5 4 coupleurs HT 2 2,5 4 coupleurs BT ,5 (1) Classe 5 : souple ; classe 6 : extra souple. PVC + polychloroprène Polyéthylène chlorosulfoné Polyéthylène chlorosulfoné Cuivre étamé Classe 6 60 Classe 5 10 Connecteur serti de marque Carrier Khéops ou Jupiter Silec (0) Tableau 5 Matériel MF 77. Bilan des consommations électriques d un train D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

9 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS 3. Appareils et fonctions spécifiques au matériel roulant de type métro 3.1 Captage du courant en haute tension Le système de distribution électrique utilisant un troisième rail est presque exclusivement le fait des réseaux de métropolitains. Les chemins de fer l utilisent encore sur des lignes anciennes mais l abandonnent progressivement au profit d une généralisation de la ligne de contact aérienne. Tramways et trolleybus ne pratiquent que le captage aérien. Il est vrai qu un troisième rail complique la voie ferrée et représente un danger qui limite la tension distribuée. En revanche, sa robustesse le rend plus fiable qu une caténaire et son coût d entretien est réduit. Il est donc bien adapté aux lignes courtes en site propre. Reprenons l exemple du MF 77. En ligne, le courant sous haute tension est prélevé par chaque motrice au moyen de quatre frotteurs connectés deux à deux en parallèle et près desquels sont disposés des fusibles de calibre 800 A (figure 3), le plus en amont possible afin de protéger le câblage du bogie. Normalement, le troisième rail (ou barre de courant) est posé entre les deux voies. Dans ces conditions, seuls les deux frotteurs disposés du côté intérieur réalisent le captage pour une motrice. Parfois, un seul frotteur est en contact avec la barre de courant. Le courant total maximal appelé par une motrice étant d environ A, un frotteur doit pouvoir acheminer momentanément un tel courant. L alimentation électrique d une ligne est découpée en plusieurs secteurs qui peuvent être isolés individuellement aux deux extrémités par un dispositif de sectionnement doté d un coupon de protection (figure 5a). Il faut également interrompre la barre de courant à certains endroits de la ligne pour permettre le passage d un train d une voie à l autre (figure 5b). La figure 5c précise les cotes du matériel roulant et des coupons ; on retiendra que : en cas d isolement d un secteur, le maintien sous tension du secteur voisin ne provoque pas sa réalimentation intempestive par pontage, réalisé soit par les frotteurs extrêmes de deux motrices adjacentes, soit par les frotteurs les plus rapprochés de deux motrices séparées par une voiture ; en situation normale, la continuité de l alimentation électrique des motrices est assurée, lors du franchissement de ces zones singulières, sur la même voie. Le contact glissant du frotteur sur le troisième rail est généralement réalisé, grâce à une semelle en acier, par le dessus du rail. La semelle est fixée à l extrémité de deux bras articulés formant pantographe (figure 6). Le poids de cet ensemble est suffisant pour assurer la pression de contact. Une poignée d isolement permet son relevage et son verrouillage en position haute. Le frotteur est fixé rigidement à une poutre en matière isolante suspendue sur les boîtes d essieux. Les rampes d accès pratiquées en bout des barres de courant permettent la mise en position de travail et limitent les chocs et les rebonds de la semelle lors de la prise de contact. L échange des semelles a lieu tous les km environ. Sur les voitures, le retour du courant en haute tension des différents appareils et la liaison caisse-bogie sont réalisés par des câbles ou des tresses reliés à la caisse. Une tresse relie le châssis de bogie à la boîte d essieux au bout de laquelle un dispositif de retour de courant assure la continuité avec l essieu, protégeant ainsi les roulements des boîtes. Ce dispositif comporte des balais métalliques maintenus en pression sur un disque solaire de l essieu. Figure 5 Dispositifs de sectionnement Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

10 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Le dispositif VACMA a pour rôle de limiter les conséquences d une inconscience prolongée de l agent de conduite. Ce dernier doit en permanence serrer, puis relâcher, soit une pédale (figure 7), soit un actionneur logé dans la poignée du manipulateur tractionfreinage (figure 7). Le relâchement doit intervenir au plus tard 25 s après un actionnement et ne doit pas excéder 5 s. Un timbre sonore avertit le conducteur 2,5 s avant la fin de ces temps autorisés. En cas de dépassement, l arrêt d urgence est commandé. La manœuvre d autres dispositifs dispense le conducteur d actionner le système. Ce contrôle n est effectué que lorsque le train est en mouvement. Un principe plus simple, utilisé sur les tramways et appelé homme mort, ne contrôle que le maintien d appui ; tout relâchement provoque l arrêt automatique Répétition ponctuelle des signaux Figure 6 Frotteur de polarité positive assurant le captage du courant en haute tension sur le troisième rail : montage sur bogie monomoteur Sur certains matériels de conception allemande, des éléments de caoutchouc sont interposés entre le centre plein de la roue et son bandage. Il y a lieu, pour ces roues dites élastiques, de court-circuiter par des tresses ces éléments de caoutchouc. Pour les métros à roulement pneumatique, les barres de guidage, disposées de part et d autre de la voie (article Transports électriques urbains [D 5 550]), font office de barres de courant. La surface de contact est verticale et le déploiement des frotteurs est horizontal. La semelle est garnie de deux bandes de carbone, renforcées à leurs extrémités d étraves en bronze. Le carbone lubrifie la barre de guidage, la résistance à l avancement due au captage étant bien plus élevée que celle atteinte avec la prise supérieure. Les roues de ces voitures étant équipées de pneumatiques isolants, des frotteurs particuliers disposés sous les bogies sont en contact avec les rails de roulement ou éventuellement la piste, si elle est métallique. Les frotteurs négatifs permettent le retour du courant, les frotteurs de masse fixent le potentiel de la caisse. En effet, sur ces matériels, il y a séparation entre le pôle négatif de la haute tension et la masse de la caisse. Quelques réseaux ayant adopté le roulement pneumatique, tel le VAL à Lille, utilisent un conducteur de retour bien isolé du sol : le courant revient par l une des deux barres de courant qui sont donc polarisées. Cette disposition annule les courants vagabonds mais l orientation des voitures en ligne n est pas indifférente. 3.2 Cabine de conduite et dispositifs liés à la sécurité et à la conduite La cabine est aménagée à l avant des voitures extrêmes. On y accède de l extérieur par deux portes latérales. Elle est séparée du compartiment voyageur par deux armoires techniques, encadrant une porte de communication. Le conducteur est assis devant la table de conduite, installée sous un grand pare-brise assurant une bonne visibilité et sur laquelle sont disposés les principaux organes de commande et de contrôle (figure 7) ; depuis la cabine, il procède aux commandes, reçoit et traite les alarmes, surveille ce qui peut survenir sur la voie, l état de la signalisation latérale et les montées et descentes des voyageurs Veille automatique et contrôle du maintien d appui La signalisation latérale peut présenter trois aspects (tableau 6). Pour s assurer que l agent de conduite n a pas commis d erreur vis-à-vis du règlement en matière de franchissement de signal, un traitement est effectué par un boîtier particulier : dans le cas d un signal d avertissement, on demande à l agent de conduite de prouver sa vigilance en appuyant sur un bouton-poussoir moins de 10 s avant le franchissement. En cas d oubli, ou bien si l aspect du signal franchi est rouge, le freinage d urgence est déclenché. Matériellement, le système est constitué d une balise et d un capteur actif. Celui-ci enregistre l aspect du signal lors de son passage sur la balise. Un câblot remonte l information en cabine jusqu au boîtier : l ordre de freinage d urgence est donné si nécessaire et l aspect du signal franchi est mémorisé dans la centrale tachymétrique ( 3.2.3). La balise, installée dans la voie, quelques mètres avant le signal à recopier, est constituée d un aimant permanent en ferrite et de bobines destinées à rayonner un champ magnétique alternatif. La présence combinée du champ continu et des champs alternatifs caractérise l aspect du signal selon le code donné tableau 6. (0) Tableau 6 Correspondance entre l aspect des signaux et des champs magnétiques du système de répétition des signaux Signal Aspect Continu Champ magnétique Alternatif Voie libre vert oui 2 fréquences (25 et 15 khz) Avertissement jaune oui 1 fréquence (15 khz) Arrêt rouge oui non Le capteur, monté sur la bogie, regroupe, dans une boîte étanche en polyester, une bobine montée sur un circuit prémagnétisé par deux aimants permanents, un oscillateur, qui se bloque au passage du capteur sur un champ continu d induction de T, et un cadre bobiné destiné à la détection des champs alternatifs. Ce système, simple et fiable, peut servir également à lire dans la voie des informations différentes de celles de la signalisation d espacement des trains, en utilisant des balises combinant seulement des champs alternatifs Acquisition et traitement de la vitesse L introduction de prises de vitesse à bord des matériels roulants date des années cinquante. Deux objectifs sont visés dans le domaine de la conduite : indiquer à l agent de conduite sa vitesse réelle afin qu il suive au plus près la marche théorique ; disposer d un contrôle a posteriori de la vitesse et du comportement de l agent de conduite grâce à un enregistrement continu sur papier. D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

11 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Figure 7 Table de conduite du matériel MF 77 Une prise de vitesse mécanique réalisée sur l un des moteurs de traction du bogie avant entraîne le chronotachymètre enregistreur qui utilise principalement des mécanismes d horlogerie. Il est installé en cabine sur le pupitre. L appareil affiche, outre la vitesse, l heure et le kilométrage totalisé. La bande d enregistrement, sensible aux marques de stylets mécaniques, fait apparaître la vitesse, l aspect des signaux franchis, la commande du frein d urgence, le mode de conduite et le sens de marche (figure 8). En cas d accident, ce document est utilisé par la commission d enquête. Certaines fonctions utilisent également l information vitesse sous forme discrète, le plus souvent pour leur inhibition au-dessous ou au-dessus d un seuil. Un alternateur tachymétrique monté en bout d essieu fournit une tension dont la fréquence fait commuter des relais tout ou rien matérialisant les seuils. On peut citer l inversion du sens de marche réalisée à l arrêt (figure 7), la substitution à basse vitesse du frein mécanique au frein électrique, la libération et l ouverture des portes d accès à l approche de l arrêt, enfin l inhibition à l arrêt de la VACMA. Pour les constructions récentes, tout le traitement est réalisé électroniquement et le papier de la bande d enregistrement est progressivement remplacé par des mémoires magnétiques. Si le fonctionnel en matière de mesure et de traitement de la vitesse n a pas beaucoup évolué, le découpage physique s est modifié : un tiroir électronique, appelé centrale tachymétrique, reçoit de un ou plusieurs essieux les signaux électriques à partir desquels il élabore la vitesse. Plus le nombre d essieux est élevé, plus la vitesse obtenue est fiable. C est l association d une roue dentée calée sur l essieu et d un capteur magnétique qui génère la fréquence image de la vitesse de cet essieu. Disposant de la bonne vitesse du train, les équipements de traction et de freinage sont à même de traiter le délicat problème du glissement des roues métalliques sur le rail et des enrayages (article Équipements de traction [D 5553]). Notons, enfin, la particularité de certaines centrales tachymétriques, telles que celles du MF 77, qui offrent en plus de l enregistreur classique, dont la vitesse de défilement est de 20 mm/km, un enregistreur de fin de parcours. Il s agit d un disque autoeffaçable sur lequel apparaissent, de façon grossie, les détails de la conduite au cours des derniers mètres parcourus Signalisations d état ou de défaut Les informations concernant l état et la disponibilité des principales fonctions du train sont fournies à l agent de conduite grâce à des voyants lumineux implantés dans quatre boîtiers de regroupement : deux d entre eux sont disposés sur le pupitre de conduite, les deux autres sont sur la cloison de la cabine derrière l agent de conduite. Dans le cas du MF 77, ces boîtiers regroupent 53 indications. Un commutateur à rappel permet de procéder au test de fonctionnement de l ensemble des lampes Liaisons phoniques Deux systèmes de liaisons phoniques sont utilisés par l agent de conduite. Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

12 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Figure 8 Exemple d enregistrement des paramètres de conduite Le premier, qui le relie au poste de commande centralisé (PCC), est une liaison bi-directionnelle par alternance, réalisée par un téléphone haute fréquence (figure 7). La modulation de fréquence d un courant porteur à 90 khz relie au PCC toutes les rames d une ligne. Elle est acheminée jusqu aux rames par l alimentation HT, le 3 e rail et les rails de roulement. La transmission est maintenue en l absence de haute tension. Une boîte de découplage, installée sous la motrice d extrémité, est branchée en dérivation sur le circuit de captage. Elle renferme les condensateurs HT et le transformateur, qui permettent d isoler la partie embarquée tout en laissant passer le courant porteur jusqu au poste téléphonique, auquel sont associés un microphone et un haut-parleur. Le même canal est utilisé pour alerter automatiquement le PCC, par un signal à 800 Hz, lorsqu un train stationne portes fermées, sans action de l agent de conduite, pendant plus d une minute. Au préalable, l agent de conduite est prévenu pour qu il réagisse, annulant ainsi le processus d alarme. Ce dispositif s appelle l alarme vigilance. Le second système assure deux types de liaisons : l annonce voyageurs, unidirectionnelle, est utilisée lorsque l agent de conduite transmet un message à l ensemble des voyageurs ; l interphonie permet le dialogue avec un voyageur ayant tiré un signal d alarme, ou bien entre des personnels se trouvant dans les deux cabines. Un bloc émetteur, un microphone et un haut-parleur sont à l usage de l agent de conduite. Il peut sélectionner la liaison qui l intéresse au moyen d un commutateur à trois positions. Dans chaque voiture se trouvent un bloc local pour amplification, trois haut-parleurs et six signaux d alarme équipés chacun d un microphone Pilote automatique Un commutateur (SC sur la figure 7) permet à l agent de conduite de choisir le mode de conduite (manuelle ou automatique) à effectuer. Lorsque le mode automatique est sélectionné, le pilote se substitue entièrement à l agent de conduite pour l émission des ordres de traction et de freinage destinés à l ensemble des voitures du train. Ces ordres sont aiguillés par le commutateur sur le même jeu de lignes de train que celui utilisé en conduite manuelle. Pilote et agent de conduite peuvent commander indépendamment le frein d urgence. L agent de conduite reste responsable des opérations liées aux échanges de voyageurs. Il initialise et peut interrompre la séquence fermeture des portes-départ automatique ( 3.4). Dans ce mode de conduite, l agent de conduite n est plus contraint par le dispositif de répétition des signaux ni par la VACMA. Toutefois, l alarme vigilance reste active. La fourniture embarquée du pilote automatique est constituée d un tiroir de traitement, installé sous une banquette d une voiture intermédiaire et de deux jeux de capteurs, montés respectivement sur chacun des bogies de cette voiture. Cette disposition permet d utiliser le pilote suivant les deux sens de marche tout en minimisant les câblages et la fourniture. Les capteurs lisent le programme de la marche, au-dessus d un tapis fixé dans la voie. Ce support peut également servir à transmettre au train des informations indépendantes du pilote automatique. 3.3 Commandes et contrôles des fonctions réparties le long du train L exemple de réalisation exposé au paragraphe 2.2 montre qu une fonction exécute le plus souvent le même programme sur différentes voitures. C est le cas de la traction puisque trois motrices fournissent au même instant sensiblement le même effort à la jante des roues ; c est aussi celui de l éclairage, des commandes des portes d accès, etc. À ce découpage fonctionnel correspondent des configurations identiques de matériel sur les voitures. Ces sous-ensembles sont commandés et contrôlés simultanément depuis la cabine de conduite. Pour acheminer les informations nécessaires, un ensemble de câbles multiconducteurs appelés lignes de train vont d une extrémité du train à l autre. La continuité entre deux voitures est assurée par les câblots souples et les coupleurs ( et tableau 4). À ces lignes de train et à leurs câblots correspond un regroupement des conducteurs par nature de circuit (sécurité, conduite, commande, D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

13 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS pilote automatique). Quelques fils de réserve sont prévus afin de couvrir des besoins nouveaux. Les lignes de train sont utilisées selon trois schémas. La commande en antenne (figure 9a) consiste à fixer le potentiel électrique d un conducteur depuis la voiture de tête. Chaque voiture concernée par la fonction considérée recueille l information pour son propre compte par la mise sous tension, par exemple, d une bobine de relais (RC). Le contrôle en boucle (figure 9b) vérifie le retour d un signal électrique émis à l une des extrémités du train grâce à deux conducteurs reliés entre eux à l autre extrémité. Le retour du signal à son point de départ allume une lampe de signalisation (LS) ou bien alimente un relais ou un récepteur statique (RS). Le comptage (figure 9c) quantifie l information. Ce contrôle en boucle précédent délivre une information du type série au moins un. Pour que le personnel présent dans la cabine dispose d une information plus précise (par exemple le nombre de bogies actifs au frein), on utilise un circuit de comptage ainsi constitué : une alimentation stabilisée, un ampèremètre appelé quotientmètre et un conducteur de ligne de train, sur lequel peuvent être branchées autant de résistances calibrées qu il y a d unités à compter. La mise en service d une cabine et le choix d un mode de conduite réalisent les bouclages et les raccordements nécessaires aux extrémités du train (RN et SC sur les figures 9a, b et c ). On peut vouloir changer l orientation d une voiture dans une formation. Il ne faut pas que les fonctions dépendant de l orientation, telle que le sens de marche ou la commande des portes, soient affectées par ce retournement : pour une voiture orientée vers l arrière, il faut commander les portes de sa face gauche si l ouverture du côté droit du train a été choisie. La figure 9d donne une solution à ce problème, dans laquelle il n est pas nécessaire de modifier le câblage des voitures de même type. L examen de la figure 9d montre qu une commande à droite se réalise toujours sur la face droite du train et qu il en va de même pour les commandes à gauche. De tels circuits sont dits symétriques. La commande d une fonction indépendante de l orientation utilise un schéma plus simple puisqu un seul conducteur par voiture est nécessaire pour la réaliser. On parle alors de circuit asymétrique (figure 9e). Lorsque l on accepte de conserver la même orientation pour toutes les voitures intermédiaires, on adopte une solution simple et économique (figure 9f ) où la symétrie est acquise par croisement des conducteurs entre les seules embases des coupleurs situées en bout arrière des voitures d extrémité. Cette solution, retenue sur les matériels récents dont le MF 77, facilite, en cas de besoin, la modification de la symétrie des circuits, deux fils seulement étant à déplacer sur les voitures d extrémité. 3.4 Échanges de voyageurs et commande des portes La montée et la descente des voyageurs s effectuent par plusieurs ouvertures pratiquées dans les faces des véhicules. Selon qu il s agit d un tramway, d un métro ou bien d automotrices, les conceptions mécaniques des portes peuvent être très différentes : portes pliantes ou coulissantes, associées ou non à un emmarchement mobile ; entraînement électrique ou pneumatique. Le métro parisien, comme de nombreux réseaux, utilise des vantaux coulissants dans la face. Cette cinématique est intéressante sur les lignes de transport très chargées, car le volume nécessité par le mouvement est minimal. L entraînement des vantaux est assuré par un vérin à air comprimé à double effet. La mise en œuvre de ce vérin (effort de poussée d environ 80 dan et course d une durée de 2,5 s) est obtenue par la commande de deux électrovalves : une pour la fermeture, l autre pour l ouverture. En fin d ouverture et de fermeture, le mouvement est ralenti par changement de l ajutage de fuite. Enfin, un verrou mécanique permet de maintenir la porte fermée, même en l absence de pression. Notons l intérêt des solutions différentes qui utilisent des moteurs électriques, grâce auxquels la cinématique est finement maîtrisée. Les systèmes d entraînement des vantaux et les systèmes de conjugaison mettant en œuvre courroies et poulies sont également couramment employés. La conception des portes joue de façon primordiale sur la durée des arrêts en station, soit environ 20 s, tout incident nécessitant l intervention sur place de l agent de conduite du convoi. Les portes d une rame de métro effectuent environ cycles par année d exploitation. La fiabilité constatée sur des rames équipées de 30 portes correspond à une panne par rame toutes les 300 h. De plus, en matière de sécurité, les portes constituent une interface sensible entre le matériel roulant et les voyageurs. Ces derniers interviennent en tant qu acteurs dans les processus d échange. L agent de conduite a l entière responsabilité des manœuvres de portes qu il doit surveiller du début à la fin. Il utilise un commutateur (ST sur la figure 7) qui sélectionne le côté de service, isolant ainsi les commandes à droite ou à gauche, et différents boutons-poussoirs qui lui permettent d initialiser la séquence fermeture et départ. L autorisation de départ, enregistrée sur la bande de la centrale tachymétrique, est donnée sous forme d un timbre sonore lorsque toutes les portes sont fermées et que la commande de fermeture persiste. En mode de conduite automatique, cette autorisation est donnée simultanément au pilote automatique qui démarre le train sans intervention humaine. Pour l ouverture, l agent de conduite conducteur se contente de fournir une autorisation qui est validée par le seuil de vitesse de 12 km/h. Pour gagner des secondes, les vérins sont alors mis à l air libre. Enfin, à 6 km/h, une pression est appliquée à l ensemble des vérins sur l autre face des pistons afin d accélérer le mouvement. Cette assistance constitue une source de confort pour les voyageurs. Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

14 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Figure 9 Schémas de principe des lignes de train D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

15 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS 4. Spécificités des équipements embarqués des tramways ou des trolleybus Ces équipements sont en grande partie similaires à ceux d un métro ( 3) : le tramway se rapproche par bien des points d un métro à petit gabarit, et la différence entre tramway et métro léger est difficile à établir : elle provient plus des infrastructures utilisées (site propre ou voie banalisée) que du matériel roulant lui-même ; le trolleybus s apparente à l autobus, mais son mode de propulsion le classe dans la catégorie des transports en commun électriques. Il est cependant possible de dégager quelques aspects spécifiques de ces véhicules typiquement urbains : l insertion dans la circulation routière ; la hauteur très faible des planchers pour faciliter au maximum la descente des voyageurs et leur montée depuis la chaussée ; les dimensions réduites, en particulier la largeur, pour que les évolutions dans des zones urbaines denses soient possibles ; le captage d énergie électrique exclusivement aérien, par caténaire ou fil trolley double. Nota : le lecteur pourra, pour plus de détails, se reporter, dans le traité Construction, à l article Tramways [C 4 440]. Ces particularités ont des conséquences sur la nature et l implantation d une partie du matériel électrique. Le tramway, a fortiori le trolleybus, est équipé de toutes les signalisations exigées par le code de la route (feux de stop, de direction, de détresse, feux antibrouillard, veilleuses, triangle de signalisation, cloche électrique en guise d avertisseur sonore). Il possède des rétroviseurs qui sont parfois rétractables automatiquement. L exploitation des tramways fait appel à des dispositifs très spécifiques : télécommande, depuis la cabine de conduite, des feux de croisement ou des aiguilles de la voie ferrée. En revanche, du fait de cette conduite routière, les asservissements de vitesse et les automatismes de conduite ne sont pas utilisés. Les portes sont ouvertes par les voyageurs et certaines d entre elles sont munies, en partie basse, d un emmarchement mobile. Pour la traction et le freinage, le matériel est identique à celui équipant les métros (article Équipements de traction [D 5 553]), mais les performances, en particulier en freinage, sont plus élevées. La décélération en freinage d urgence atteint 3 m s 2. Elle est obtenue en faisant fonctionner simultanément le frein à friction, les freins électrique, rhéostatique et à récupération, et les patins électromagnétiques. De plus, les temps de réaction de ces freins doivent être très brefs, compte tenu de la circulation environnante et des piétons. Cette exigence fait préférer une excitation compound ou séparée pour les moteurs de traction. L installation des appareils électriques, que l on cherche à rendre très compacts, se fait souvent sur la toiture des véhicules ou sous les sièges des compartiments ( 2.1.2). La place offerte dans le bogie aux moteurs de traction et aux réducteurs est très réduite : les roues ont un diamètre de 660 mm, contre 850 mm dans le cas d un métro. Des coffres d appareillage sont parfois disposés derrière les panneaux des faces latérales des tramways. Mais cet emplacement est très exposé en cas de collision avec les autres véhicules de la circulation urbaine. Le captage d énergie est réalisé en toiture grâce à un pantographe pour le tramway et à un système de perche double pour les trolleybus. Il faut noter, pour ce dernier, la difficulté liée aux changements brusques de polarité des deux fils trolley, qui conduisent à utiliser un redresseur même si la distribution est faite en courant continu. En matière d équipements basse tension, il est souvent fait appel à du matériel fonctionnant sous une tension continue de 24 V. Cela permet de recourir à des appareils habituellement montés sur les camions, tels que les essuie-glaces ou les feux divers. 5. Dispositions de sécurité appliquées à bord des matériels roulants ferroviaires 5.1 Concepts et méthodes Des exemples de dispositifs destinés à accroître la sécurité du transport ont été décrits dans le paragraphe 3.2 (veille automatique, répétition ponctuelle des signaux, pilote automatique). Ces dispositifs ont ceci de particulier qu ils ont fait l objet de l application, à un degré plus ou moins poussé, de règles de conception et de méthodes d analyse destinées à leur garantir un fonctionnement sûr. Concepts et méthodes en matière de sécurité sont exposés dans le traité Informatique industrielle. Le rappel des trois définitions suivantes est toutefois utile. Un équipement est dit de sécurité lorsque toutes les dispositions sont prises pour qu aucune de ses défaillances ne puissent entraîner des dommages corporels ou des atteintes à la santé. La sécurité est dite intrinsèque si, dans un environnement donné, aucune des défaillances propres aux éléments constitutifs d un équipement ne peut conduire à une situation plus permissive ou entraîner une conséquence plus dangereuse que celles autorisées par l état normal, dans le cadre de deux hypothèses : deux ou plusieurs défaillances sans cause commune ne peuvent apparaître simultanément ; toutes les défaillances non détectables individuellement (qu elles aient ou non une cause commune) peuvent se combiner avec toute autre défaillance jusqu à détection de la panne. Le sens de dérive toléré, pour préserver la sécurité en cas de défaillance, doit être précisé. Il est habituel de considérer que les états de moindre énergie sont les plus sûrs, par exemple l arrêt pour un train. La sécurité est dite probabiliste lorsque la probabilité d occurrence des défaillances d un équipement entraînant des conséquences contraires à la sécurité est calculable ; dans ce cas, cette probabilité doit rester inférieure à un seuil fixé à l avance ; selon la nature du risque et dans le cas de rames de métro, ce seuil varie entre 10 6 et 10 9 défaillance par heure de fonctionnement et par rame. Le type de sécurité retenu influe beaucoup sur la conception des dispositifs et le choix de la méthode d étude utilisée. Tous les nouveaux marchés de construction de matériel roulant exigent la mise en place d un plan de sécurité, suivant des méthodes normalisées. On peut citer, par exemple : l AMDEC (Analyse des Modes de Défaillance, de leurs Effets et de leur Criticité), méthode dite inductive et réservée à la sécurité intrinsèque ; l arbre des causes, méthode dite déductive, destinée à la sécurité probabiliste. Ces méthodes sont de mise en œuvre lourde lorsqu elles visent à la démonstration de sécurité d un ensemble complexe. Elles demandent plusieurs mois, voire plusieurs années pour être menées à terme. C est le cas pour la commande du frein d urgence ou le contrôle de vitesse assurés par le pilote automatique. Il y a lieu de limiter au strict nécessaire les dispositifs de sécurité au risque d aboutir à une indisponibilité chronique des rames. En cas de panne des systèmes de sécurité, il faut pouvoir isoler ceux-ci afin de poursuivre la marche sous certaines conditions : limitation de la vitesse ou bien descente des voyageurs à la prochaine station, la sécurité n étant plus assurée à un niveau suffisant. Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

16 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS 5.2 Exemples simples de dispositifs de sécurité Jusqu à une date récente, ces dispositifs étaient réalisés exclusivement avec des composants électromécaniques et électroniques, si possible en nombre réduit pour faciliter l analyse de leurs modes de défaillance. Il est important de souligner les qualités nécessaires pour mener à bien la conception et la réalisation de ce type de dispositif : le sens physique ; la connaissance technologique ; le soin dans la réalisation. Sans recourir à des exemples compliqués, on peut se rendre compte que des dispositions technologiques simples donnent des résultats remarquables (tableau 7). Un autre exemple est le soin apporté à la mise en œuvre des détecteurs de fermeture des portes. 5.3 Sécurité réalisée par moyens informatiques L irruption de l informatique dans le domaine ferroviaire a rapidement suscité la question suivante : «Peut-on confier des tâches de sécurité aux microprocesseurs embarqués?». La réponse a été longtemps prudente. Mais le pas a été franchi à la fin des années quatre-vingt avec la mise en service, à Paris, du SACEM (Système d Aide à la Conduite, à l Exploitation et à la Maintenance), avec les projets d automatisation de la ligne D du métro de Lyon et avec le VAL de Chicago. En principe, les méthodes d études exposées au paragraphe 5.1 sont applicables aux réalisations informatiques. Mais le travail d analyse des modes de défaillance est alors extrêmement compliqué, car il porte à la fois sur le matériel et sur le logiciel. (0) Tableau 7 Quelques principes technologiques utilisés dans les circuits électriques de sécurité Blindage mécanique d une ligne de train servant à un contrôle de sécurité : ce blindage sert à éviter toute réalimentation intempestive. Il est relié à la masse tout le long du train autant de fois que nécessaire. Transmission le long du train d une information de sécurité, par le biais d un signal à basse fréquence. Une réalimentation des conducteurs par du courant continu n a pas de conséquence contraire à la sécurité. E = émetteur (oscillateur) R = récepteur Relais non chevauchant : aucun des contacts repos ne peut s établir tant que l un de ses contacts travail est encore établi. Commande perdue : ce montage est destiné à détecter le collage d un contact travail d un relais non chevauchant. La commande est obtenue par la décharge d un condensateur préalablement chargé au travers d un contact repos du relais à contrôler. Il faut s assurer que la décharge est complète à l issue de chaque commande. Peut être utilisé avec un bouton-poussoir. Raccordement sur bloc de jonction ou sur connecteur : pour éviter la mise en contact entre les conducteurs A et B on procède : à leur éloignement respectif ; à la pose de manchons isolants autour de A et B ; à la mise à la masse des connexions intermédiaires (CI) ; au choix de pièces présentant des intercalaires isolants suffisants. Condensateur C à quatre connexions : ce composant permet de faire passer le courant dans les armatures ; on peut ici détecter court-circuit et discontinuité des armatures et des connexions. Le transfert d énergie vers la charge Z est alors interrompu. C Ct F condensateur. contact. fusible. L inductance. R relais. RC relais de commande perdue. RN relais de neutralisation de cabine. RS relais de signalisation. SC sélecteur de conduite. D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

17 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS La démarche novatrice, qui a été menée en commun par les entreprises RATP, SNCF, Alsthom, CSEE et Matra Transport, a abouti à trois résultats pratiques importants : la protection des transmissions et des traitements numériques des données par les codages arithmétiques particuliers [3] ; le développement des logiciels selon des méthodes rigoureuses consignées dans un plan qualité logiciel ; la validation de ces logiciels par l exploration quasi exhaustive de leurs comportements en fonctionnement simulé [4]. Nota : pour la partie embarquée, le traitement de sécurité réalise le contrôle continu de la vitesse du train. Ce traitement est confié à un processeur unique et la sécurité obtenue est indépendante du support matériel. 6. Architecture future des trains Dans les véhicules ferroviaires urbains des décennies en venir, il est probable que les actionneurs traditionnels (moteurs, portes, appareillages de puissance, relais) seront toujours présents et ressembleront à ceux utilisés aujourd hui. Seules des applications pratiques de la supra-conductivité à haute température pourraient bousculer cette relative stabilité. Il est plus probable d assister à une évolution spectaculaire dans le domaine des capteurs, et surtout de la commande et du contrôle des fonctions du train. Cette évolution est d ailleurs déjà entamée : les réflexions et les premières réalisations conduites sur plusieurs réseaux, en liaison avec les industriels, montrent que l informatique jouera un rôle prépondérant dans les nouveaux matériels roulants. Les paragraphes qui suivent font l état des travaux consacrés par le métro de Paris à ce sujet. Citons également le métro de Lyon et sa ligne D, dont les trains construits par GEC-Alsthom, seront exploités de façon entièrement automatique. 6.1 Utilité d une architecture informatique Les matériels roulants de générations récentes (MF 77 ; 2.2) ont montré les limites des conceptions traditionnelles du câblage et des équipements électroniques. En effet, les améliorations fonctionnelles et de sécurité n ont pu être réalisées qu au prix d une croissance excessive du câblage et, par suite, du nombre de points de connexion. Outre le coût, les conséquences en sont une diminution de la fiabilité et une maintenabilité rendue délicate par de nombreuses avaries intermittentes, impossibles à reproduire en atelier d entretien. Le passage des équipements analogiques aux équipements numériques et à la microinformatique a permis d optimiser la conception et les coûts de l électronique de commande de certaines fonctions complexes (commande de l électronique de puissance pour la traction et le freinage). Mais son extension à d autres fonctions du train (pilote automatique, centrale tachymétrique, commande des portes d accès, etc.) risquait de rendre difficile la maîtrise du système par les exploitants. Corrélativement, la maintenance est devenue délicate, imposant la réalisation de systèmes de surveillance chargés de détecter et d identifier les défauts. Ces systèmes sont longs à mettre au point, coûteux et limités par fonction. 6.2 Objectifs d une architecture informatique Les trois difficultés mentionnées au paragraphe 6.1 ont conduit la RATP et les industriels ferroviaires à repenser en totalité l architecture électrique du train. Les recherches ont débouché sur la réalisation de prototypes qui ont permis de définir l architecture informatique des trains futurs, qui répond à quatre objectifs : un coût raisonnable, permettant à l industrie ferroviaire de rester concurrentielle sur les marchés internationaux ; une fiabilité élevée ; une maintenabilité assurée pour l ensemble des équipements du train (électriques et mécaniques) ; une disponibilité très élevée pour l exploitant, compatible avec les exigences de l automatisme intégral (train sans conducteur). Ces quatre objectifs seront atteints par l architecture informatique du matériel roulant MF 88, dont la commande a été passée en décembre 1988, et dont la livraison est prévue en Description de l architecture informatique du MF 88 Le principe qui a présidé à la conception de l architecture est qu un train ne doit plus être considéré comme une juxtaposition d équipements conçus indépendamment les uns des autres, mais comme un système chargé de remplir des fonctions bien définies, avec un niveau de performances donné, en mode normal et en mode dégradé (article Équipements de traction [D 5 553]). L architecture du MF 88 est articulée autour d un réseau local et de calculateurs standardisés (matériel et logiciel). Les quatre thèmes qui suivent doivent constituer les points forts de ce projet Standardisation Elle permet de réduire les coûts. Tous les calculateurs sont conçus sur un modèle unique capable de couvrir toutes les fonctions du train. L objectif est de limiter au strict minimum le nombre de types de cartes électroniques différentes, réduisant ainsi les coûts d étude (il y a moins de cartes à étudier), de fabrication (les séries sont plus grandes) et de maintenance (il y a moins de bancs de test à réaliser). Une fois le modèle de calculateur défini, l étude de l architecture a consisté à répartir de façon optimale les fonctions dans les calculateurs (figure 10). Dans tous les cas possibles, on a cherché à utiliser des composants ou des équipements industriels et à les adapter éventuellement aux contraintes spécifiques du milieu ferroviaire. Tous les calculateurs sont réalisés autour d un bus VME (Versa Module Eurocard ), et possèdent une, voire deux ou trois unités centrales Motorola ou Ces calculateurs identiques se distinguent par les applications qu ils supportent ; celles-ci définissent deux familles : les ordinateurs de voiture (motrice ou remorque) et de conduite ; les calculateurs de commande traction-freinage. Les fonctions n exigeant que des traitements plus limités (génération d énergie, portes) sont réalisés dans des calculateurs satellites utilisant des microcontrôleurs. Les logiciels font l objet d un effort comparable, soit en utilisant des produits du commerce (par exemple des systèmes d exploitation en temps réel), soit en les concevant selon un plan qualité logiciel rigoureux. Celui-ci assure leur maintenabilité, la pérennité de la documentation et la possibilité de les modifier pendant les 30 ans de durée de vie du matériel roulant Tolérance aux pannes Elle permet d atteindre les objectifs de disponibilité. Chaque voiture du train possède deux calculateurs pour traiter les fonctions locales (ordinateurs de voiture) ; chacune des deux voitures d extrémité contient un calculateur pour traiter les fonctions générales du train (ordinateur de conduite). Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

18 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Figure 10 Architecture informatique du MF 88 Chacun des deux ordinateurs de voiture est chargé en mode normal de traitements différents, mais est susceptible, en cas de panne de l ordinateur homologue, de reprendre à sa place (éventuellement avec une performance moindre qu en mode normal) les traitements permettant d assurer la marche du train. Les traitements dupliqués intégralement concernent les ordres de traction et de freinage, ainsi que les commandes des portes. Quant aux autres traitements, on les duplique partiellement pour atteindre la prestation minimale acceptable. Un seul des deux ordinateurs de conduite est actif à un instant donné ; l autre est en veille, prêt à prendre le relais en cas de besoin. Leurs fonctions sont données figure Réseau local C est la solution adoptée pour résoudre les problèmes de câblage et améliorer le niveau de fiabilité. Un réseau local, du type de ceux utilisés couramment en informatique, permet d assurer les échanges d informations entre les divers calculateurs du train, à un débit théorique de 10 Mbit/s. Il utilise deux câbles coaxiaux ou deux paires blindées en remplacement de 150 fils unitaires. Seules les liaisons de sécurité (une vingtaine de fils blindés) subsistent en réalisation traditionnelle. Un effort similaire est effectué pour le câblage local des voitures, en reliant les calculateurs satellites (portes, commande de traction et de freinage, etc.) au calculateur central par liaison série (RS 232). Le réseau local du MF 88 est un réseau local industriel possédant une grande sûreté de fonctionnement. Il s agit d un réseau de type Ethernet (norme IEEE déterministe ou non), doublé pour des raisons de disponibilité. Ce réseau a fait l objet, en 1989, d une étude particulière pour le qualifier dans une application ferroviaire embarquée Dispositifs intégrés de test Ils permettent de répondre aux objectifs de maintenabilité. La maintenance a été prise en compte dès le début de l étude de l architecture et les traitements sont réalisés par les calculateurs fonctionnels. Un équipement intégré de test est capable de : faire des suivis en temps réel afin de détecter les défauts ; lancer des tests ; suivre l évolution des performances de façon à faire de la maintenance prédictive ; transmettre le diagnostic s il a pu être effectué, ou un film d événements dans le cas contraire, au système centralisé de maintenance hébergé par l ordinateur de conduite (figure 10). L objectif poursuivi pour le système global est de localiser une avarie sur un équipement amovible (rack, tiroir) dans 75 % des cas, d admettre un doute entre deux équipements dans 20 % des cas et de ne tolérer d erreur de diagnostic (erreur réelle ou doute entre plus de deux équipements) que dans 5 % des cas. 6.4 Conclusion Cette architecture allie la simplicité à l ambition des objectifs techniques et économiques. Bien que conçue pour les besoins du métro parisien, elle est adaptable à n importe quel matériel roulant, car elle utilise des équipements standards et modulaires. (0) D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

19 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Fonction Traction et freinage par récupération d énergie Tableau 8 Inventaire des principaux équipements électriques montés sur le matériel MF 77 Organe ou sous-ensemble Coffre semi-conducteurs de puissance (hacheur de courant) Coffre électronique de commande Nombre par train 3 3 Localisation Constructeur Caractéristiques Sous-châssis des motrices M ou NA Sous-châssis des motrices M ou NA Moteurs de traction 6 Bogie moteur Appareillage électropneumatique Disjoncteur : circuit traction 3 1 circuits des moteurs 3 2 Sous-châssis des motrices M ou NA Jeumont Schneider Jeumont Schneider Alsthom (Tarbes) TCO (Ornans) Jeumont Schneider 32 semi-conducteurs montés en tiroirs press-pack : 22 thyristors dont 14 rapides (tenue en tension V ; temps de blocage : 40 µs ; courant efficace 500 A ; diamètre : 50 mm) 10 diodes dont 2 rapides (tenue en tension : V ; temps de recouvrement : 6 µs ; diamètre : 50 mm). Ces semi-conducteurs sont répartis entre deux hacheurs connectés en parallèle, chacun alimentant un moteur de traction. Courant maximal contrôlé par un hacheur : 525 A sous 900 V. Chaque hacheur fonctionne à la fréquence fixe de 300 Hz, les deux périodes étant décalées de π. Refroidissement par ventilation forcée : motoventilateur alimenté en courant triphasé 250 V, 250 Hz entraînant deux turbines puissance 1 kw. Masse du coffre : 805 kg. Alimentation : 5 cartes électroniques et 3 tiroirs. Régulation : 39 cartes électroniques de dimensions mm. Émission des consignes (motrices d extrémité seules) : 2 cartes électroniques. Réception des consignes : 3 cartes électroniques. Fonctions de sécurité : 5 cartes électroniques. Technologie utilisée : logique câblée. Masse du coffre : 100 kg Type : courant continu autoventilé. Régime continu : 270 kw à tr/min ; 400 A sous 720 V. Isolation : classe H sans solvant. Deux bouts d arbre sortis. Masse : kg. Enclechement électropneumatique ; déclenchement électromagnétique ; courant nominal A. Pouvoir de coupure : 25 ka sur un circuit de constante de temps d au moins 10 ms. Temps d ouverture des contacts en mode ultra-rapide 3 ms. Masse du coffre des disjoncteurs : 190 kg (45 kg par disjoncteur). Contacteur de précharge du 3 Soulé Sectionneur unipolaire bistable. filtre Double inverseur (un inverseur par moteur). Inverseur de sens de marche 3 Jeumont Schneider Courant nominal par pôle : 500 A. Masse : 43 kg. Inductances et condensateurs France Transfo I nductance à air : L = 3,2 µ H ; R < 12 mω ; courant nominal : 700 A. Filtre de ligne : Masse : 465 kg. inductance 3 condensateur 3 Sous-châssis Sic Safco des motrices M ou LCC ou NA Inductance de lissage moteur 3 doubles Condensateur au papier métallisé ; C = µf valeur obtenue par la mise en parallèle de 4 bacs. Tension max : V. Courant efficace : 400 A. Masse du coffre des condensateurs : 117 kg. Inductance à air : L = 3 µh ; courant efficace : 400 A ; masse : 318 kg. Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

20 TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS Fonction Traction et freinage par récupération d énergie (suite) Fourniture d énergie moyenne et basse tensions Production d air comprimé Éclairage Tableau 8 Inventaire des principaux équipements électriques montés sur le matériel MF 77 (suite) Organe ou sous-ensemble Hacheur : inductances auxiliaires L (µh) I n (A) arrêt Coffre inversion 6 semi-conducteurs Jeumont marche de puissance Schneider retour condensateur d arrêt 6 LCC C = 100 µf (2 bacs de 50 µf) ; courant efficace 750 A. Tension maximale : V. Frotteur Fusible traction Manipulateur de commande continue de l effort moteur Bogie moteur Cabine Table de conduite Faiveley Ferraz Courant supérieur à A pendant 1 min. Élément fusible à lames d argent noyées dans la silice compactée. Calibre 800 A. Jeumont Schneider Poignée entraînant un potentiomètre rectiligne de 1 kω, alimenté par une tension continue stabilisée de 40 V. Convertisseur tournant 2 TCO EVR Groupe motoalternateur type statodyne. Alimentation du moteur : 750 V continu pouvant varier entre 450 et 900 V. Tension délivrée : triphasé 250 V ; 250 Hz. Régime nominal : 20 kva ; tr/min. Isolation : classe F. Masse : 725 kg. Coffre de régulation du convertisseur Batterie d accumulateurs électrochimiques 2 Sous-châssis des remorques TCO Régulation de l excitation du moteur, donc de la vitesse du groupe. Régulation de la tension délivrée. Appareillage de démarrage et de protection. Élaboration de la basse tension continue 79 V. 2 SAFT Batteries alcalines Ni-Cd (GPX850). Capacité 85 Ah. Courant maximal de décharge en exploitation : 75 A. Nombre d éléments en série : 56. Masse : 240 kg. Chargeur batterie 2 SAFT Chargeur monopalier. Courant maximal de charge 16 A. Tension maximale de charge : 71,5 V. Groupe motocompresseur 2 Éclairage des compartiments voyageurs Nombre par train 5 ensembles Localisation Constructeur Caractéristiques Sous-châssis des remorques Au-dessus des plafonds à résille Leroy Somer ou Unelec (moteur) Westinghouse ou Creyssensac (pompe) Philips Montage dans un berceau suspendu élastiquement. Entraînement par courroie. Alimentation du moteur : 750 V continu, pouvant varier entre 450 et 900 V. Puissance 7,5 kw. Vitesse moteur : tr/min. Vitesse pompe tr/min. Débit L/min sous 8 bar. Masse : 430 kg. Éclairage normal : 28 tubes de 40 W et 14 tubes de 20 W ou bien 26 tubes de 40 W et 12 de 20 W (selon les voitures). Alimentation par 21 ou 19 ballasts 250 V ; 250 Hz. Éclairage de secours : 6 tubes de 40 W alimentés par 6 convertisseurs à partir de la tension batterie. Niveau d éclairement : 200 lux dans le plan de lecture. D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique