Les infrastructures ferroviaires coûtent cher. Il est relativement rare de créer des voies totalement nouvelles et lorsque vous le faites, elles sont le plus souvent conformes aux normes d'ingénierie des voies existantes (gabarit, etc.) pour permettre une flexibilité dans l'utilisation du matériel roulant, etc.

Par conséquent, les décisions concernant l'électrification a été faite au 19ème siècle (par exemple 1890 à Londres). À cette époque, le contrôle de la vitesse des gros moteurs était probablement plus facile pour le courant continu que pour le courant alternatif, où la vitesse est liée à la fréquence du courant alternatif.

Également à cette époque, la distribution DC avait des avantages par rapport au courant alternatif .

Les révolutions technologiques ultérieures sont généralement entravées par la nécessité de maximiser le retour sur investissement à très long terme dans des infrastructures à grande échelle.

Un cas intéressant est le Thameslink de Londres, qui dispose de trains fonctionnant au 25KV AC aérien pour la partie nord du voyage et sur les voies du troisième rail 750V DC pour la partie du trajet. au sud de la gare de Farringdon. Les coûts d’introduction d’une infrastructure incompatible peuvent être considérables.

C'est en fait une question d'électronique de puissance très intéressante; Aucune des réponses n'a touché tous les points principaux:

Perspective côté entraînement

Quoi qu'il en soit, nous avons besoin de courant continu pour entraîner les moteurs

• Avant que les transistors n'activent les onduleurs (Thyristors et IGBT) étaient disponibles, le seul moyen efficace d'atteindre une vitesse très variable était avec DC, car la vitesse du moteur à courant alternatif est fixée à la fréquence. De même, les redresseurs à arc au mercure étaient trop lourds pour être transportés dans les trains, de sorte que la conversion AC => DC était impossible.
• L'efficacité des moteurs AC ainsi que les caractéristiques mécaniques supérieures des moteurs à induction / sans balais rendent le courant alternatif à le côté roue libre attrayant. Cependant , cela nécessite un variateur de fréquence qui doit être alimenté en courant continu car il n’existe pas de moyen simple de changer de fréquence ou d’utiliser l’électronique de puissance pour une conversion directe AC-AC. / li>

Par conséquent, la question est: où placez-vous le redresseur?

1. Transmission AC

Rectifiez AC vers DC dans le train et utilisez HVAC à 25 kV pour alimenter les trains

Avantages:

• Transmission plus élevée efficacité de la ligne due à un courant plus faible.

Inconvénients:

• Le redresseur doit être optimisé en poids; a probablement un facteur de puissance et une efficacité inférieurs.
• Le redresseur monophasé signifie que les valeurs nulles de tension nécessitent des éléments de stockage d'énergie et une réduction de l'efficacité.
• Le redresseur doit être transporté par le train. Les redresseurs à haute puissance sont lourds.

2. Transmission DC

Rectifiez la voie et utilisez 600V-3kV DC pour transmettre aux trains

Avantages:

• Les trains sont plus légers
• Redresseurest plus efficace, meilleur facteur de puissance
• Redresseur triphasé

Inconvénients:

• Des courants de ligne de transmission plus élevés signifient des pertes plus élevées

Je me souviens avoir lu une expérience russe dans les années 80 qui comparait les solutions 1 et 2 ci-dessus et a constaté que malgré les pertes dans la ligne de transmission, le système global était plus efficace avec la transmission CC en raison de l'électronique de puissance requise. Néanmoins, de nombreux trains régionaux et trains à grande vitesse utilisent le CVC.

Il y a d'autres considérations:

• Le courant alternatif haute tension n'est pas utilisé sur les systèmes de troisième rail; nécessite un fil aérien. Les considérations de sécurité limitent les tensions des troisièmes rails à ~ 750 V, ce qui limite également la puissance effective, la climatisation, etc. (ce n'est pas que vous ne puissiez pas vous frire assez bien à cette tension.)
• C'est seulement pratique de transmettre une phase (bien qu'il existe quelques exemples de trains à trois phases). Les systèmes CC peuvent utiliser des redresseurs triphasés côté voie pour augmenter l'efficacité.
• La profondeur de la peau limite l'efficacité des fils CA de grand diamètre; ce n'est pas un problème pour les systèmes CC qui peuvent utiliser des fils de calibre plus épais pour transmettre des courants plus élevés.

Notez que la puissance n'est généralement pas transmise sur de longues distances le long de la voie (en particulier pour la moyenne tension CC): les lignes sont alimentées en cours de route, pas seulement d'une extrémité.

L'ensemble de l'extrémité sud-est du Royaume-Uni utilise le troisième système ferroviaire - il n'a jamais été utilisé nulle part ailleurs au Royaume-Uni et je pense que l'une des principales raisons était qu'une grande partie de cette zone est urbaine avec des ponts bas, d'où un troisième rail système. Des lignes aériennes DC (5 kV) ont été utilisées le long d'un ancien tronçon de Manchester à Sheffield.

Le contrôle DC est un aspect mais il y en a un autre et c'est l'induction pour suivre les systèmes de contrôle et de téléphonie. Un troisième rail à courant alternatif représenterait une source importante d'interférences magnétiques pour la signalisation de la voie et les systèmes téléphoniques de voie. À l'origine, la signalisation et le contrôle de la piste étaient effectués mécaniquement afin que le courant alternatif ne soit pas une menace, donc cette «raison» est plus une explication du 20e siècle plutôt qu'une explication du 19e siècle.

Cependant, les systèmes téléphoniques au sol le seraient ont été affectés par le courant alternatif depuis le début et, comme la tension est inférieure à celle des alimentations électriques aériennes en courant alternatif, le courant serait plus élevé et l'induction plus élevée. Un troisième rail est beaucoup plus proche des fils téléphoniques côté voie et aggrave les choses.

Par exemple, lorsque la ligne principale de la côte est du Royaume-Uni a été électrifiée (au-dessus), les ingénieurs ont signalé que des problèmes de téléphonie se produisaient sur longueurs de câble d'environ 1500 m à 1700 m (1 mile) ou plus. Pour un troisième rail où le courant sera probablement au moins dix fois plus élevé que les systèmes aériens de 25 kV et environ un tiers de la distance des câbles, vous pouvez deviner que le courant alternatif ne fonctionnerait tout simplement pas même sur de courtes distances.

HVAC (High Voltage AC) présente certains inconvénients, comme la distance, par exemple.Bien que la transmission du courant alternatif soit plus facile et largement utilisée pour transférer l'énergie de la maison à la maison, elle n'est pas utilisée lorsqu'il y a une longue ligne de transmission.

HVDC est mieux ici car il y a une efficacité de transmission presque constante le long d'un câble HVDC. Le seuil de rentabilité entre HVAC et HVDC est d'environ 50 km. Si vous parcourez plus de 50 km, il sera plus avantageux d'utiliser le HVDC en raison du prix et de l'efficacité.

Voici un graphique entre HVDC et HVAC comparant le prix et la distance.

Étant donné que ces trains parcourent de longues distances, il est préférable d'utiliser HVDC.

Un autre exemple concret serait les parcs éoliens offshore. Parce qu'ils sont si loin en mer, ils utilisent le HVDC et transmettent plus d'énergie sur terre qu'ils ne le feraient avec le HVAC.

Voici un article sur les parcs éoliens offshore.

Un peu tard à la fête, mais une raison de rester avec DC (ou d'en construire un nouveau) est le freinage régénératif. Aujourd'hui, la plupart des trains électriques à unités multiples inverseront les moteurs pour ralentir, rejetant ainsi l'énergie générée dans la ligne d'alimentation. Très facile avec DC car tout ce dont vous avez besoin pour réguler est la tension. Cauchemar de synchronisation avec AC. Si le service est suffisamment occupé, il y a toujours quelque chose d'autre fonctionnant dans la même division électrique.

Si nous élargissons notre horizontal à la zone non anglophone, nous pourrions conclure ceci - il semble y avoir une multitude de raisons:

En Europe, la plupart des trains ont des lignes aériennes et varient entre 3 kV, 15 kV et 25 kV AC - cela dépend un peu du moment et de la personne qui les construit. (sans compter quelques trains locaux alpins qui existent même en 3 phases!). D'autre part, la plupart sinon tous les tramways des villes utilisent du courant continu (environ 600V).

Une des raisons des tensions plus élevées est un transport d'énergie plus important. Cela est vrai pour les trains ferroviaires, car ils utilisent jusqu'à Mega Wats lors du démarrage ou du sprint. Ainsi, 25 kV nécessitera moins d'ampères et donc moins de métal - une ligne de tête pourrait être utilisée au lieu d'un troisième rail. Mais pourquoi alors AC. Parce qu'à cette époque, seul le courant alternatif pouvait gérer des tensions plus élevées en raison de l'existence de transformateurs. DC a donné de gros problèmes.

En regardant un troisième rail, de quelle distance au sol auriez-vous besoin pour y transporter 25 kV. Rapidement cela ne semble pas très pratique. Utilisez donc plutôt 500-750V uniquement.

Mais de nombreux tramways et métros des villes (Zurich, Berlin, München, Vienne, ..) utilisent encore du 600V. Alors pourquoi est-ce? Cela remonte aux tout premiers jours, lorsque seuls les moteurs à courant continu étaient disponibles / imaginables. (En fait, la régulation de la vitesse a été effectuée par de grands réseaux de résistances commutables sur les toits). Pourtant, vous aviez besoin de plus de 110 V sur la ligne comme il y en avait dans le réseau pour alimenter ce plus gros autocar. Ils ont donc décidé de produire une tension supplémentaire plus importante à cet effet. Plus tard, des redresseurs à vapeur Mercury ont été utilisés. Mais 600V est toujours capable de gérer. Mais vous avez besoin de gros interrupteurs avec une distance plus large pour tuer l'arc de coupure. C'est aussi la raison pour laquelle il ne faut pas utiliser facilement DC avec plus de 1kV.

En regardant les origines du système de train en DE, CH, AT, SE et en Norvège qui est de 15kV 16,7Hz (truc amusant): il a son origine d'une ligne de train construite entre Innsbruck (AT) et Garmisch Patenkirchen (DE).Ils ont choisi l'électricité parce que seulement pour pouvoir gravir les montagnes escarpées.À l'époque, la technologie avait peu de choix.Le meilleur moteur de choix avec le meilleur rendement était de 16,7 Hz et environ 15 kV étaient bons pour la transmission de la puissance nécessaire.Cela a persisté jusqu'à présent.En fait, dans les pays mentionnés, il existe tout un réseau supplémentaire pour la transmission de la puissance ferroviaire.Il utilise 110 kV ou 65 kV (CH) pour le transport sur une large plage.

Cela peut vous donner une idée des raisons pour lesquelles des éléments ont été choisis à l'époque.