Alimentation et commande de drivers à très forte isolation galvanique pour des convertisseurs multi-niveaux dédiés à la traction ferroviaire

par Lilia Galaï Dol (Galaï)

Thèse de doctorat en Électronique, Électrotechnique et Automatique

Sous la direction de François Costa.

Soutenue le 14-01-2014

à Cachan, Ecole normale supérieure , dans le cadre de École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne) , en partenariat avec Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie (laboratoire) .

Le jury était composé de Philippe Ladoux, Bertrand Cauchat, Bertrand Revol.

Les rapporteurs étaient Nicolas Ginot, Yves Lembeye.


  • Résumé

    Ce projet fait l’objet d’une collaboration entre l’équipe EPI du laboratoire SATIE de l’ENS Cachan, le laboratoire LAPLACE et ALSTOM Transport dans le cadre du projet ANR « CONCIGI HT ». Les recherches dans le domaine du ferroviaire visent à réduire toujours plus la taille et le poids de la chaine de traction. Aujourd’hui, la volonté de poursuivre la réduction des temps de parcours est complétée par le souhait de diminuer la puissance consommée, ceci ayant des conséquences importantes sur la conception des chaines de traction. L’objectif de ce projet est de remplacer certaines parties de la chaine de puissance d’une locomotive par des systèmes permettant de diminuer de 30% leur encombrement, donc de diminuer jusqu’à 8,5 % l’énergie électrique consommée et augmenter le nombre de passagers transportés. Le travail présenté dans cette thèse porte sur le dimensionnement et l’étude de l’alimentation des allumeurs de semi-conducteurs SiC HT (pouvant atteindre un transitoire de 10 kV). La particularité de ces semi-conducteurs est leur application : ils constituent des convertisseurs multi-niveaux dont la fonction est de remplacer les transformateurs 25 kV/3 kV-50 Hz actuellement utilisés pour la traction ferroviaire. La principale contrainte porte donc sur la tenue diélectrique qui atteint un maximum de 60 kV liée aux transitoires présents sur la caténaire. Une alimentation à double isolation galvanique (DGIT-Double Galvanic Insulation Transformer) a donc été développée afin de répondre à la nécessité de double tenue diélectrique (10 kV et 60 kV). Dans un premier temps une structure permettant la double isolation galvanique a été développée avec l’objectif de réduire au maximum sa taille et son poids. Sa disposition spatiale et sa géométrique ont également été pris en considération (ainsi que de nombreux paramètre à la fois pertinents et contradictoires). Ceci afin d’obtenir le système optimal et une répartition des capacités de mode commun et différentiel respectant la forte tenue diélectrique. Dans un second temps une étude de l’alimentation adaptée au DGIT a été réalisée et testée. L’association du DGIT qui est un élément très inductif, de la charge qui est un driver à faible puissance et de l’aspect multi-niveau implique un fonctionnement atypique. Pour chacune de ces parties, une étude structurelle, fréquentielle et électrique a été réalisée afin d’obtenir un dispositif optimal du point de vue du volume, du poids et des pertes, tout en respectant la principale contrainte de la tenue à la THT (Très Haute Tension). Enfin, dans un troisième temps nous avons étudié la possibilité de remplacer les fibres optiques utilisées de nos jours pour la commande des allumeurs par un système basé sur la transmission par radio fréquence.

  • Titre traduit

    High isolated drivers order and power supply for multi levels converters applied to railway area


  • Résumé

    This project is the result of collaboration between the EPI team of the SATIE laboratory at ENS Cachan, the LAPLACE laboratory and ALSTOM Transport in the ANR "CONCIGI HT" project. Research in the railway traction area aims to reduce the increasing size and weight of the power train. Today, the desire to reduce travel time is complemented by the desire to reduce power consumption- it is an important information for the design of traction chains. The objective of this project is to replace parts of the locomotive power supply systems to reduce their size by 30%, thus to reduce the power consumption and increase by 8.5% the number of passengers. The work presented in this thesis focuses on the design and study of the drivers power supply for HV SiC semiconductor (up to a 10 kV transient voltage). The peculiarity of these semiconductors is their application: they are placed in multi-level converters in order to replace the 25 kV / 3 kV, 50 Hz transformers currently used for rail traction. The main constraint is the dielectric strength that reaches a maximum of 60 kV due to transient present on the catenary. So, the Double Galvanic Insulation Transformer (DGIT) has been developed to adapt to the need of holding dual dielectric (10 kV and 60 kV). In a first step, a structure for the dual galvanic insulation has been developed with the objective to minimize its size and weight. Its spatial and geometrical arrangements were also taken into account (as well as many parameters both relevant and contradictory), in order to obtain the optimal system and common and differential mode distributed capacities observing the high dielectric strength. In a second step a study of the DGIT adapted power supply has been completed and tested. The combination of DGIT inductive behavior, the driver low power and the multi-level aspect, involves an atypical work of this power supply converter. For each of these parts, a structural, frequencial and electrical study was performed in order to achieve the maximum optimal device in terms of volume, weight and loss, with respect to the main constraint of VHV (Very High Voltage). Finally, in a third step we studied the possibility of subtituing the optical fibers currently used for the control of lighters with a system based on radio-frequency transmission.


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