Le hacheur de courant

Le circuit responsable de la signature sonore du Métro de Montréal

Lorsqu'on prend le métro sur les lignes 2 - Orange, 4 - Jaune et 5 - Bleue, il est facile de remarquer que chaque départ du train est accompagné d'une discrète mélodie, qui comporte entre 3 et 5 notes. Certains passagers croient qu'il s'agit d'un timbre sonore diffusé dans les hauts-parleurs, mais le son provient plutôt d'un circuit électronique servant à démarrer les moteurs en douceur qui s'appelle le hacheur de courant [1].

Avant-propos : la captation de l'énergie électrique

Fig. 1 : Frotteur positif d'un MR-73 et barre de guidage

Les trains du Métro de Montréal sont alimentés à une tension continue de 750 volts [2]. Pour ce faire, un troisième rail, appelé barre de guidage, se trouve de part et d'autre des voies et sert à la fois à contrer les efforts latéraux subis dans les courbes et à agir comme pôle positif de l'alimentation électrique [3].

Les trains possèdent deux paires de roues par essieu : une paire pneumatique, qui roule sur des pistes de roulement en béton et qui supporte le poids de la rame en plus d'assurer l'effort de traction, et une paire en acier de gabarit ferroviaire standard (1.435 m) qui sert de système de secours en cas de crevaison et qui est utilisée pour changer de voie dans les aiguillages [4].

Chaque bogie, soit le chariot porteur des roues relié au wagon par un pivot, comporte deux paires d'essieux. Au centre de chaque paire se trouve le frotteur positif et, immédiatement derrière, le frotteur négatif, qui retourne l'énergie électrique sur les rails classiques. Afin d'éviter les courants vagabonds, un phénomène qui peut endommager les canalisations métalliques souterraines [5], les rails sont isolés de la terre.

Sur les trains MR-63, plus anciens, les frotteurs négatifs sont aussi reliés au bâti métallique du wagon afin d'assurer une continuité des masses et éviter que les voyageurs ne reçoivent de choc électrique en montant et en descendant de la rame [6]. Sur les MR-73, un frotteur supplémentaire, appelé à juste titre frotteur de masse sert exclusivement à cette fonction, et les frotteurs négatifs sont isolés du train.

Comme les quais des stations sont généralement recouverts de céramique, le risque de recevoir un choc en touchant au train qui entre en station est quasi-inexistant. Cependant, les opérateurs de métro ont remarqué qu'à la station Montmorency, il était possible que cela survienne lorsqu'ils touchaient d'une main la caisse du wagon et de l'autre la porte métallique qui sépare le quai du tunnel. En effet, comme la porte en question est directement reliée à la terre, l'opérateur se trouve à relier le réseau de traction du métro à la terre avec son corps, ce qui l'expose à recevoir un choc électrique. En effet, la tension entre le rail négatif et la terre atteint, en temps normal, une valeur maximale de 50 volts [7].

Afin de pallier à cette situation potentiellement dangeureuse, la STM a installé un ruban isolant sur la porte fautive ainsi qu'un avis qui informe le personnel du danger d'électrisation.

Le hacheur de courant

[8]) Fig. 2 : Étage de puissance des MR-73 (d'après schéma de la STM

Mettre en mouvement un train de 9 voitures rempli de 1 000 à 1 200 passagers et l'accélérer en une dizaine de secondes jusqu'à un maximum de 72 km/h demande beaucoup d'énergie. Si on raccordait directement les moteurs à l'alimentation électrique au démarrage, on produirait chaque fois l'équivalent d'un bref court-circuit entre les barres de guidage et les rails de retour. Ce faisant, on affaiblirait peu à peu les équipements de transformation et de distribution et ceux-ci finiraient par céder de façon prématurée.

Afin de démarrer le train sans surcharger inutilement les installations électriques, on utilise des systèmes de démarrage à tension réduite, qui réduisent le courant consommé par les moteurs. Sur les MR-63, cette fonction est remplie par un système électromécanique rotatif à 26 positions, le combinateur à cames [9]. Celui-ci insère des résistances de puissance dans le circuit et modifie la façon dont les moteurs sont reliés entre-eux, puis applique la pleine tension à la fin de la séquence.

En 1971, le BTM décide d'aller de l'avant avec une nouvelle technologie de démarrage utilisant des interrupteurs électroniques, les semi-conducteurs. Ceux-ci requièrent beaucoup moins d'entretien que le combinateur à cames [10] et sont plus versatiles. On retient le concept de la compagnie française Jeumont et on l'implante dans la nouvelle flotte de voitures, les MR-73, qui sont livrées en 1976.

Ce nouveau système de démarrage s'appelle le hacheur de courant. Sa composante principale est un thyristor de puissance, qui agit comme un interrupteur conventionnel en permettant le passage du courant dans les moteurs, puis en l'interrompant à volonté. De cette manière, on peut varier avec précision la consommation électrique du train et diminuer les effets indésirables du démarrage de façon significative.

Le démarrage

Fig. 3 : Schéma de démarrage du MR-73

Afin de réduire la tension aux bornes des moteurs, le hacheur de courant produit un train d'impulsions électriques dont la durée augmente en fonction du temps.

Initialement, le thyristor de démarrage (situé au bas de la figure 3) laisse passer le courant pendant un temps très bref et l'interrompt ensuite. Ce faisant, le démarreur réduit la tension aux moteurs à environ 100 volts [11]. Pendant cette partie de la séquence de démarrage, la somme de la durée de l'impulsion et du temps où le courant est interrompu vaut toujours 11 millisecondes (0,011 seconde). Comme la tension alterne désormais entre deux états, soit 750 volts et zéro, et que cette alternance se répète à chaque 11 millisecondes, la forme d'onde du courant aux moteurs a donc une fréquence de 90 hertz (répétitions du cycle par seconde).

À mesure que le train prend de la vitesse, la largeur des impulsions augmente et les moteurs reçoivent de plus en plus d'énergie. Pour assurer un démarrage en douceur, les concepteurs du hacheur de courant ont décidé de faire varier la fréquence de l'alternance des impulsions en cinq étapes[12] . En effet, après avoir été maintenue à 90 hertz au début de la séquence de démarrage, la fréquence est augmentée à 120, puis à 180, à 240 et finalement à 360 hertz. Ce dernier palier de la séquence est maintenu tout au long de l'accélération du train.

Les hauts courants qui circulent dans les moteurs et les composantes électroniques du démarreur y induisent une vibration mécanique. Celle-ci est suffisament importante pour être perçue par les voyageurs comme la désormais célèbre mélodie typique du métro : dou dou dooou.

Lorsqu'on connaît un peu mieux le fonctionnement du hacheur de courant, il est pertinent de se demander pourquoi la mélodie perçue à bord du train comporte seulement trois «notes» alors que le démarreur fait varier cinq fois la fréquence des impulsions électriques. La réponse est fort simple : comme les deux premières fréquences utilisées (90 et 120 hertz) sont dans un registre grave, elles sont difficilement perçues lorsqu'on se trouve dans une voiture. Par ailleurs, le pic maximal du courant consommé par les moteurs survient beaucoup plus tard dans la séquence de démarrage [13]. Comme le «volume» des notes dépend directement de la force de la vibration mécanique dans les moteurs et le démarreur, il est normal que les notes les plus fortes surviennent à la fin de la séquence, lorsque les courants sont les plus importants.

Pour le métrophile averti qui tient absolument à entendre les cinq fréquences utilisées, plusieurs avenues sont envisageables. En effet, il est possible de voyager à bord d'un élément du train Jeumont, dont le hacheur produit une vibration beaucoup plus importante, ce qui permet d'entendre distinctement une mélodie de cinq notes. Cependant, comme ces éléments particuliers sont uniquement en opération sur la ligne verte et qu'il n'est pas possible de prévoir avec exactitude le moment où ils apparaîtront devant nous, cette solution suppose une grande patience ou beaucoup de chance ! Il est toutefois possible de recourir à la technologie pour entendre le hacheur du Jeumont à volonté en visionnant ce clip vidéo pris à la station Angrignon.

Par ailleurs, il est possible de se placer en position optimale en station pour entendre avec le plus de puissance possible le son du hacheur de courant des MR-73. Pour ce faire, il faut être sur le quai opposé à la rame qui démarre et être en face du milieu d'une voiture motrice, là où se trouvent les composantes électroniques du hacheur. Lors de la fermeture des portes, il faut tendre attentivement l'oreille et il sera facilement possible d'entendre 4 ou même 5 notes avec un peu de pratique.

Le freinage

Fig. 4 : Schéma de freinage du MR-73

Le hacheur de courant ne sert pas qu'à démarrer la rame; lors de la décélération, il est aussi utilisé pour inverser le sens du courant dans les moteurs, qui peuvent alors être utilisés comme générateurs.

Pour ce faire, le thyristor de démarrage s'ouvre et un thyristor de freinage, situé en haut de la figure 4, prend le relais. En inversant le sens du courant dans les moteurs pendant que ceux-ci sont entraînés par l'inertie du train, on parvient à produire une énergie excédentaire, qui est réinjectée dans les barres de guidage après avoir été régularisée.

Si cette énergie était directement renvoyée dans le réseau de distribution électrique, il en résulterait une dégradation des matériaux qui isolent les rails de retour et les barres de guidage[14] et, éventuellement, des équipements de redressement quand l'isolation cèderait.

En effet, comme la tension produite par les moteurs/générateurs est en série avec celle des barres de guidage, l'électricité produite par le train en freinage peut atteindre une tension de plus de 1 200 volts. À cet effet, un circuit électronique limite la tension de regénération à 900 volts [15].

Afin de forcer l'énergie regénérée à passer dans le régulateur de tension tout en laissant le courant de traction inaffecté, deux diodes sont intégrées au circuit. Ces composantes semi-conductrices agissent comme valves à sens unique en obligeant le courant à les traverser dans une seule direction [16].

Pour les activer, la tension présente entre leur anode (l'entrée du courant) et leur cathode (la sortie) doit impérativement être positive. En freinage, on retrouve environ 1 200 volts à la cathode de la diode de démarrage et 750 volts à son anode; la tension anode-cathode résultante est négative. La diode empêche donc l'énergie regénérée de retourner directement aux barres de guidage. Inversement, en traction, la tension à l'anode vaut toujours 750 volts mais la tension de cathode est référencée à 0 volts par les moteurs et le thyristor de démarrage. La tension anode-cathode est donc positive et la diode de démarrage entre en conduction et court-circuite le régulateur.

Une fois en freinage, la tension de regénération est supérieure à la tension des barres de guidage, donc la diode de freinage entre en conduction et oblige le courant produit par les moteurs à passer dans le régulateur pour en limiter la tension.

Pour dissiper l'énergie de regénération injectée dans les barres de guidage, le système de gestion du pilotage automatique fait coincider dans la mesure du possible l'arrivée en station d'un train et le départ d'un autre [17]. De cette manière, le courant moyen débité par l'équipement de distribution électrique demeure relativement constant et les surcharges de démarrage sont atténuées.

Quelques mots sur le thyristor

Fig. 5 : La diode et le thyristor Fig. 5 : La diode et le thyristor

Dans le contexte du hacheur de courant, il est plus facile de considérer le thyristor comme l'équivalent d'un interrupteur mécanique conventionnel. Cependant, une étude un peu plus approfondie de son mode de fonctionnement peut soulever quelques questions et donc incidemment autant de défis techniques qui ont dû être résolus par les artisans du métro.

Au point de vue électrique, le thyristor ressemble beaucoup à une diode conventionnelle. Cependant, la différence majeure entre les deux réside dans la présence de la gâchette. Dans le cas de la diode, le démarrage de la conduction s'effectue de façon automatique quand la tension anode-cathode est positive et elle se maintient tant qu'un courant circule de l'anode vers la cathode. Dans le cas du thyristor, même si la tension anode-cathode est positive, la conduction ne débute pas tant qu'une tension positive n'est pas appliquée entre la gâchette et la cathode. Cependant, une fois que la conduction a débuté, elle se maintient tant qu'un courant circule de l'anode vers la cathode et que la tension anode-cathode est positive; la tension gâchette-cathode n'a plus d'importance [18].

Lorsque le thyristor est utilisé pour redresser du courant alternatif, c'est-à-dire conserver uniquement la portion positive d'un signal qui varie de part et d'autre d'un seuil zéro, la conduction s'interrompt au prochain passage à zéro du signal. Cependant, le métro de Montréal fonctionne en courant continu, c'est-à-dire que la tension se situe toujours au-dessus du seuil zéro. Ainsi, lorsque le thyristor est placé en conduction, celle-ci ne peut pas être interrompue.

Pour parvenir à utiliser le thyristor comme un interrupteur, c'est-à-dire le forcer à interrompre sa conduction à un moment précis, un condensateur est chargé pendant que le thyristor est en conduction, puis déchargé dans la cathode par un autre thyristor [19]. L'impulsion très brève attribuable à la décharge du condensateur produit un courant de la cathode vers l'anode, donc la tension anode-cathode devient négative et la conduction est interrompue.

Sources