Nouvelle électrification en courant continu moyenne tension pour réseau ferroviaire

Depuis le début du 20ème siècle, différents systèmes d’électrification ferroviaire en courantcontinu et en courant alternatif ont été développés en Europe. Les systèmes en courant alternatifmonophasé moyenne tension (25 kV-50 Hz ou 15 kV 16,7 Hz) permettent d’utiliser une caténairelégère de faible section de cuivre mais de par leur principe mettent en jeu de la puissancefluctuante et de la puissance réactive qu’il faut compenser par des dispositifs volumineux etcoûteux. Les systèmes d’électrification à courant continu (1,5kV ou 3kV) ne possèdent pas cesinconvénients mais en contrepartie, leur relativement faible niveau de tension implique lacirculation de courants élevés dans la caténaire ce qui s’oppose à toute augmentation de trafic carla section de cuivre ne peut pas être augmentée au-delà de 1000 mm2. Du point de vue dumatériel roulant, les locomotives alimentées en courant alternatif ont une chaine de conversiond’énergie électrique complexe et volumineuse (transformateur abaisseur, redresseur, filtre bassefréquence puis onduleur). En revanche, une chaine de conversion fonctionnant sous caténaire àcourant continu se réduit à un filtre d'entrée et à un onduleur de traction. Aujourd’hui, les progrèstechnologiques réalisés dans le domaine de l'électronique de puissance permettent d’envisager ledéveloppement de réseaux électriques à courant continu moyenne tension pour accompagner latransition énergétique en intégrant plus facilement des sources d’énergies renouvelables et deséléments de stockage d’énergie. Partant de ce constat, l’objectif de ce travail de thèse est deproposer un nouveau système d’électrification ferroviaire à courant continu moyenne tension,d’une part, dans le but de combiner les avantages des systèmes actuels d’électrification et d’autrepart, d’envisager à moyen terme la rénovation des lignes électrifiées à courant continu. Le premierchapitre de cette thèse présente un état de l’art des systèmes d’électrification ferroviaire existantset des chaines de traction associés. Le deuxième chapitre met en évidence l’intérêt d’uneélectrification à courant continu moyenne tension pour la traction ferroviaire. Une méthode decalcul, permettant de déterminer le niveau de tension continue pour un trafic donné, est proposée.Il est ainsi montré que le choix d’un niveau de tension à 9 kV permet d’obtenir des sections decaténaire et un espacement des sous-stations comparables au système 25kV-50 Hz. Dans sapremière partie, le troisième chapitre propose une stratégie permettant de faire évoluer le systèmed’électrification 1,5 kV existant en France vers un système 9 kV. En attendant que le parc d’enginsde traction soit adapté pour fonctionner sous une caténaire à 9 kV, il est possible de préparerl’évolution du système d’électrification en déployant une ligne de transport d’énergie électrique en9 kV (feeder) en parallèle de la caténaire 1,5 kV existante. Au terme de la période de transition, leniveau de tension 1,5 kV est complètement supprimé et la totalité de l’infrastructure ainsi que lesengins de traction fonctionnent alors sous 9 kV. La deuxième partie de ce chapitre est consacréeà l’étude d’une topologie associant des convertisseurs DC/DC isolés et permettant de remplir lafonction de transformateur électronique indispensable pour le renforcement de l’alimentation de lacaténaire 1,5 kV à partir du feeder 9 kV.Le quatrième chapitre présente la réalisation et les essaisd’un convertisseur DC/DC isolé d’une puissance de 300 kW utilisant des modules MOSFET SiC3,3 kV. Une conclusion générale et des perspectives concluent ce mémoire