Commutateurs dans les systèmes de traction ferroviaire et les anciens systèmes à courant continu
Commutateurs Les moteurs à courant alternatif ont déterminé le comportement des premiers trains électriques, et ils décident encore si un nombre surprenant de locomotives modernes rentrent au dépôt ou tombent en panne sur la ligne. Les moteurs à courant alternatif sont peut-être la clé de l'avenir, mais pour les anciennes flottes à courant continu, le système collecteur-balai est toujours le lieu où la fiabilité est discrètement gagnée ou perdue.
Table des matières
Pourquoi les commutateurs ont-ils encore de l'importance à l'ère du “tout AC” ?
La plupart des nouveaux matériels roulants quittent aujourd'hui l'usine avec des moteurs à courant alternatif triphasé et des convertisseurs IGBT. Les moteurs de traction à courant continu avec collecteurs ont été progressivement remplacés parce que les machines à courant alternatif sont plus simples sur le plan mécanique et moins coûteuses à entretenir tout au long de leur durée de vie.ScienceDirect)
Pourtant, les locomotives lourdes, les anciennes UEM, les métros des années 1970-1990 et une grande partie des chemins de fer miniers et industriels dépendent encore de gros moteurs à courant continu. Dans beaucoup de ces flottes, les bogies, les boîtes de vitesses et les châssis des moteurs peuvent fonctionner encore pendant des décennies, mais ce sont les collecteurs et les balais qui définissent la date pratique de mise à la retraite. Les moteurs de rechange et les ébauches de collecteurs ne sont pas toujours le facteur limitant ; c'est la connaissance spécialisée qui l'est.
Il y a une autre raison pour laquelle ils sont importants. Une grande partie de l'intuition qui sous-tend les entraînements modernes à courant alternatif à commande vectorielle provient de la machine à courant continu classique à collecteur. La description dq à deux axes utilisée dans la commande orientée champ est essentiellement un écho mathématique de ce que le collecteur et les balais font mécaniquement. Perdre le savoir-faire du collecteur signifie perdre une partie de la sensation physique originale de la production de couple et du contrôle du courant.
Le collecteur en tant que convertisseur mécanique, pas seulement un tambour de cuivre
Vous connaissez maintenant les grandes lignes du manuel : cylindre de cuivre segmenté, balais de carbone, inversion du courant. Ce que l'on a tendance à oublier, c'est que le collecteur est un convertisseur de fréquence mécanique intégré dans un environnement qui vibre violemment. Shantarenko et ses coauteurs décrivent explicitement l'ensemble collecteur-balais comme un convertisseur mécanique de fréquence électrique, puis traitent son comportement d'étincelle de manière statistique, ce qui est plus proche de la réalité dans le domaine de la traction que n'importe quel diagramme de phasage bien ordonné.
Dans la traction ferroviaire, le courant d'induit est rarement “nominal et stable”. Le démarrage d'un train de marchandises lourd ou la poussée d'une rame de métro hors du quai sollicite le moteur série à courant continu bien au-delà de la plaque signalétique pendant de courtes périodes. Le collecteur doit commuter des milliers d'ampères sous la réaction de l'induit, les interpôles faisant de leur mieux pour nettoyer les tensions induites. Lorsque le train de roues glisse, qu'un conducteur tire sur la poignée d'alimentation ou que le système de contrôle de la traction cherche à adhérer, tout cela se traduit par des tensions sur quelques millimètres de cuivre et de film.
Le collecteur ne se contente donc pas de transférer le courant. Il essaie de maintenir l'illusion d'un couple régulier alors que le système lui demande de se comporter comme un onduleur moderne à régulation de courant. Cette inadéquation est précisément le point de départ de nombreux modes de défaillance indésirables.
Les cycles de travail des chemins de fer et leurs effets sur les déplacements
Les métros urbains à courant continu se situent à l'extrémité la plus difficile du spectre. L'espacement réduit entre les stations, l'accélération agressive et le freinage important font que les moteurs de traction vivent dans un monde de changements brusques de courant, répétés plusieurs fois par kilomètre. Le collecteur ne s'installe jamais vraiment dans un état thermique stable et propre. La formation d'un film, l'usure des balais et la température du cuivre sont des paramètres différents, de sorte qu'un collecteur apparemment en bon état peut en réalité se trouver à la limite du ramollissement thermique pendant les heures de pointe.
Les locomotives lourdes sollicitent le système différemment. Une charge élevée continue sur de longues pentes maintient le courant de l'induit à un niveau proche du maximum pendant de longues périodes, ce qui augmente la température du cuivre, mais avec moins de transitoires rapides. Dans ces conditions, des phénomènes tels que le frottement du cuivre et la brûlure des barres de fente deviennent plus probables, en particulier si la qualité des balais ou la force des ressorts a été optimisée de manière trop agressive pour réduire l'usure.
Il y a ensuite le freinage par récupération sur les systèmes à courant continu. Sur les anciennes UEM, le freinage par récupération a parfois été installé a posteriori sur des moteurs qui avaient été conçus dans l'optique d'une motorisation pure. Le courant s'inverse, les conditions magnétiques dans la zone de commutation changent, et ce qui était une configuration stable en mode moteur peut devenir marginal en mode régénération, en particulier à faible vitesse. On se retrouve avec des rapports de conducteurs “ça ne fait que des étincelles dans les descentes” qui sont faciles à ignorer mais qui indiquent souvent des problèmes réels de marge de commutation.
Ce qui fait défaut dans les collecteurs de traction
La réponse évidente est “ils s'usent”. Mais ce n'est pas vraiment le cas. La zone collecteur-balai est un système électromécanique couplé, et la plupart des pannes graves commencent par un petit déséquilibre à ce niveau. Les manuels sur les balais de carbone ne mâchent pas leurs mots : la densité du courant, la qualité du balai, l'état de la surface de contact et la géométrie du support interagissent tous, et aucun de ces paramètres ne peut dériver très loin sans que les conséquences soient visibles à l'interface avec le cuivre.
Les guides de maintenance des machines industrielles et de traction énumèrent un ensemble familier de défauts : rainurage, traînée de cuivre, brûlure du bord de la barre, brûlure de la barre de fente, forte teneur en mica, barres desserrées. Dans le contexte ferroviaire, l'astuce consiste à relier ces motifs de surface au cycle de fonctionnement, au matériel de refroidissement et à la stratégie de contrôle du véhicule, au lieu de traiter chaque collecteur comme un travail d'atelier isolé. Une voiture de métro qui passe la moitié de sa vie dans des tunnels avec une filtration marginale de la poussière fera vieillir ses brosses et son film d'une manière différente de celle d'une locomotive minière qui vit dans une poussière abrasive et des écarts de température importants.
La littérature sur la fiabilité des moteurs de traction traite de plus en plus le comportement des collecteurs de manière statistique, en utilisant des mesures telles que la distribution de la durée des impulsions d'arc pour évaluer le niveau d'étincelles et prédire le risque de défaillance. Ce type de réflexion est encore rare dans les dépôts, où “l'inspection visuelle et l'oreille du technicien” restent les principaux outils.
Une vue d'ensemble : les symptômes, les mécanismes et ce qu'ils vous disent vraiment
Plutôt que de dresser une liste de défauts, il est utile d'établir une correspondance compacte entre ce que l'on voit, ce qui est susceptible de se produire dans la zone de commutation et ce qui est réellement en jeu pour la flotte. Le tableau est délibérément simplifié, mais il s'aligne assez bien sur les principaux guides utilisés dans l'industrie.
| Symptôme de champ sur un collecteur de traction à courant continu | Mécanisme sous-jacent probable dans le service de traction | Premières questions à poser au dépôt | Risque pratique si l'on n'en tient pas compte |
|---|---|---|---|
| Film brun clair uniforme, surface lisse, faible usure des brosses | Densité de film et de courant équilibrée ; interpoles correctement réglés ; vibrations sous contrôle | La qualité des brosses, la filtration ou le cycle d'utilisation ont-ils changé depuis la dernière révision ? | Faible ; il s'agit surtout d'un cas de référence pour la “normalité” dans votre propre flotte |
| Film sombre lourd mais homogène, brosses froides | Humidité élevée ou air pollué favorisant l'accumulation de film ; possibilité d'une légère sous-charge dans certaines parties du cycle. | Les changements d'horaires ont-ils prolongé la marche en roue libre ou la marche à faible charge, ou les logiciels de contrôle ont-ils réduit les pointes de courant ? | Modéré ; peut cacher une traînée de cuivre précoce si les températures augmentent plus tard. |
| Rainurage prononcé dans le sens de la brosse | Qualité de la brosse abrasive ou air contaminé ; arcs localisés usinant la surface | La qualité des brosses est-elle passée d'une famille plus douce à une famille plus dure ; les filtres sont-ils obstrués ; y a-t-il des voies d'entrée de poussière visibles près des moteurs ? | Les rainures hautes concentrent le courant, augmentent la température locale et réduisent considérablement la durée de vie du collecteur. |
| Cuivre traîné sur les fentes, aspect maculé | Ramollissement du cuivre dû à des températures élevées et à des vibrations mécaniques ; parfois trop abrasif ou qualité de brosse instable. | Les températures des collecteurs sont-elles contrôlées, la charge continue a-t-elle augmenté, les niveaux de vibration ont-ils changé après le reprofilage des roues ou les travaux sur les bogies ? | Élevée ; une fois que la traînée commence, elle a tendance à s'auto-accélérer et peut ruiner un collecteur entre deux révisions. |
| Brûlure du bord de la barre toutes les deux ou trois barres | Mauvaise synchronisation de la commutation, mauvais réglage du point mort ou interpôles affaiblis ; parfois, chute de tension des balais inadaptée. | Est-ce que quelqu'un a déplacé le montage des balais ; est-ce que le champ ou les courants interpolaires ont été modifiés lors de la mise à niveau des commandes ; est-ce que la catégorie de balais choisie est toujours conforme aux spécifications pour ce type de moteur ? | Très élevé ; souvent un signe précurseur d'une détérioration de l'isolation et d'un remplacement forcé du moteur. |
| Barres sombres aléatoires, étincelles intermittentes signalées par les conducteurs | Barres desserrées, pression de contact inégale ou problèmes d'isolation locaux | Quand a eu lieu le dernier essai barre à barre ; le moteur a-t-il subi un embrasement ou un impact mécanique dans le passé ; les porte-balais sont-ils propres et d'équerre ? | Très élevé ; des barres desserrées dans les moteurs de traction peuvent entraîner une défaillance catastrophique sous charge ou pendant la régénération. |
| Taches localisées sans décoloration évidente | Écrémage antérieur avec ébarbage insuffisant, ou usure inégale suite à un mauvais alignement des brosses | Le collecteur a-t-il été écumé sur le véhicule ; les brosses ont-elles été rodées correctement par la suite ; les supports sont-ils alignés conformément aux données du fabricant ? | Moyen ; peut commencer par un problème de confort (bruit, étincelles mineures), mais peut évoluer vers des défauts plus graves. |
Cette façon de penser est ennuyeusement pragmatique. Mais elle permet de maintenir la conversation au dépôt sur les causes du système au lieu de se limiter à l'usinage de surface et au remplacement des brosses.
Décisions relatives aux brosses : là où réside la plus grande partie de la subtilité
Les fournisseurs proposent aujourd'hui une gamme déconcertante de qualités de carbone pour la traction, souvent avec des formulations spécifiques au secteur ferroviaire qui échangent l'usure contre la stabilité de commutation et la formation d'un film acceptable. Les guides d'application pour les moteurs de traction GE et similaires montrent que des qualités telles que T900, T959 et T593 sont approuvées pour des familles de moteurs particulières, souvent dans des constructions de balais à plusieurs couches afin d'améliorer la stabilité du contact dans des environnements à fortes vibrations.
Ces conceptions à plusieurs plaquettes et ces nuances dures ne sont pas seulement une question de marketing. Elles existent pour traiter les vibrations des bogies, l'ovalisation des collecteurs et les fréquentes opérations à faible vitesse et à couple élevé qui accompagnent la circulation de trains très lourds. Mais l'application aveugle d'une “pente ferroviaire” peut se retourner contre vous. Une pente trop dure sur une flotte dont le refroidissement est marginal peut faire monter la température du collecteur et provoquer un frottement du cuivre. Une pente très douce choisie pour protéger le collecteur d'un parc ancien peut créer des problèmes de poussière et un film instable, en particulier dans les tunnels où la filtration est insuffisante.
La chute de tension du balai est une autre variable silencieuse. La fenêtre de commutation d'un moteur à courant continu de traction est étroite. Si la chute de tension des balais est inférieure à ce pour quoi les interpôles et le plan neutre ont été conçus, vous risquez de brûler les bords de la barre même si la machine semble en bon état lors d'un fonctionnement à vide. C'est exactement la raison pour laquelle de nombreux guides d'usure relient la brûlure des bords non seulement aux réglages magnétiques, mais aussi au matériau des balais.
Du matériel du XIXe siècle sous une électronique de puissance moderne
Certains des problèmes les plus difficiles apparaissent lorsque les anciens moteurs de traction à courant continu sont pilotés par une électronique de puissance plus agressive que celle pour laquelle ils ont été conçus. Les premiers systèmes utilisaient des commutations série-parallèle et des bancs de résistances ou de simples commandes à hacheur. Avec l'amélioration des convertisseurs, les équipementiers et les opérateurs ont commencé à alimenter les mêmes moteurs à partir de hacheurs ou de redresseurs plus rapides et à plus haute fréquence, avec des régulateurs de courant plus serrés. La réponse du couple externe s'est améliorée. Le collecteur a connu des rampes de courant plus raides et des transitions plus fréquentes.
Sur les réseaux mixtes, les locomotives à courant continu peuvent être alimentées par des sous-stations qui prennent désormais également en charge les applications modernes de courant continu à très haute tension, où l'alimentation de traction peut servir de colonne vertébrale pour les charges urbaines à courant continu ou les micro-réseaux. Du point de vue du collecteur, cela peut signifier un contenu d'ondulation légèrement différent, un comportement d'élimination des défauts différent et des modèles de régénération modifiés. Rien de tout cela n'apparaît dans les dessins originaux du moteur. Il apparaît sous la forme de schémas d'usure bizarres quelques années après la mise à niveau du système électrique.
Lorsque la conversion AC-DC-AC est devenue la norme pour les nouvelles locomotives, les moteurs de traction à courant continu ont commencé à disparaître des spécifications des grandes lignes, mais les flottes restantes se sont souvent retrouvées dans des services plus difficiles : tâches résiduelles, trains de travaux, fret à faible priorité. Ces modes d'exploitation peuvent être étonnamment abusifs, avec des démarrages fréquents, des vitesses faibles et des voies de mauvaise qualité, et ils laissent leur propre signature sur l'état des collecteurs.
Des diagnostics qui modifient réellement les décisions
La recherche moderne sur le comportement des collecteurs en traction se concentre sur la quantification des étincelles en mesurant la durée et la distribution des impulsions d'arc à l'interface balai-commutateur. L'idée est de dépasser les “notes d'étincelles” subjectives pour passer à des indicateurs probabilistes de la qualité de la commutation. Dans la pratique, il est possible d'établir un lien avec les systèmes de surveillance existants, en combinant les données des capteurs de courant, les vibrations et la température avec les statistiques de l'arc électrique.
Pour de nombreuses flottes, cependant, la voie réaliste est un pas ou deux plus modeste. Ce qui a tendance à fonctionner, c'est une documentation visuelle cohérente de l'état du collecteur à chaque inspection programmée, associée à des mesures simples telles que la résistance barre à barre, le faux-rond total indiqué et la force du ressort du balai. Ajoutez à cela les données transmises par le train, telles que les profils de courant de traction et les registres de glissement, et vous avez déjà suffisamment d'éléments pour corréler les schémas de conduite agressifs ou les changements d'horaires avec l'usure accélérée des collecteurs. Au bout de quelques années, cela devient une “carte” de commutation spécifique à la flotte qui surpasse n'importe quel manuel générique.
Prolonger la durée de vie ou accepter le remplacement
À un moment donné, un collecteur a été écrémé trop souvent, les fentes ont été coupées trop souvent et le risque de défaillance de l'isolation fait de la poursuite de la remise à neuf une fausse économie. La difficulté réside dans le fait que le seuil de rentabilité financière se déplace lorsque le soutien des équipementiers se tarit ou que le coût de la modernisation d'un nouveau variateur CA est élevé.
Les fournisseurs de balais de carbone et les guides d'usure du collecteur ont tendance à promouvoir l'usinage, le rebobinage et la réisolation comme un cycle de routine. Cela peut fonctionner pour les entraînements industriels. Pour la traction, chaque dépose supplémentaire du moteur, chaque soulèvement du véhicule, chaque fois que l'on dérange des câbles lourds et des conduits de refroidissement, entraîne un risque supplémentaire pour le système. La décision ne concerne pas seulement le cylindre de cuivre. Il s'agit du temps d'arrêt, de la disponibilité de la flotte et des compétences pratiques disponibles dans vos ateliers.
Une tactique utile consiste à classer les moteurs dans les catégories suivantes : “durée de vie restante”, “récupération par remise à neuf” et “remplacement à chaud” à chaque grande révision, sur la base de l'état du collecteur, des tests d'isolation et des données historiques. Les moteurs du dernier groupe peuvent être associés à des véhicules qui sont eux-mêmes en fin de vie. Vous évitez ainsi de dépenser l'argent du collecteur pour des voitures qui seront de toute façon bientôt mises à la casse.
Où cela nous mène-t-il ?
La traction à courant alternatif, les moteurs à aimant permanent et les convertisseurs à semi-conducteurs retiennent l'attention des ingénieurs, à juste titre. Mais les ensembles collecteur-balai qui se trouvent sous de nombreux trains vieillissants déterminent encore la capacité réelle que les opérateurs peuvent tirer de leurs réseaux. Une seule qualité de balai mal choisie ou un changement inaperçu du cycle d'utilisation peut tranquillement consommer ce qu'il reste de vie aux moteurs de traction d'une flotte.
Traiter les collecteurs de la traction ferroviaire comme un système vivant et couplé plutôt que comme une “dinanderie” héritée du passé rend le travail plus intéressant et plus honnête. Cela permet de relier les observations faites dans les dépôts aux décisions prises en matière de logiciels de contrôle et aux mises à niveau des systèmes d'alimentation électrique. Une fois que l'on commence à relier ces points, les collecteurs cessent de ressembler à des reliques et commencent à ressembler à ce qu'ils ont toujours été dans la traction à courant continu : des convertisseurs mécaniques compacts et légèrement gênants qui portent encore sur leurs épaules une part surprenante du destin du système.
