Bloc de puissance d’une phase de l’entraînement d’un moteur de traction de véhicule ferroviaire – une étude de cas dans la pratique du service

À première vue, il peut s’agir d’un simple élément d’électronique de puissance. En réalité, le bloc de puissance d’une phase de l’entraînement du moteur de traction d’un véhicule ferroviaire est l’un des composants les plus sollicités et les plus critiques de l’ensemble du système d’entraînement. C’est là que l’on rencontre des tensions, des courants et des énergies extrêmes auxquels l’automatisation industrielle classique n’a pas à faire face.

Le cas présenté est la défaillance réelle d’une phase d ‘un système de traction. Une seule phase – ce qui mérite d’être souligné – parce qu’une seule phase est déjà capable de libérer de l’énergie entraînant la fonte des plastiques, la carbonisation des composants structurels et la destruction physique des modules semi-conducteurs.

Il ne s’agit pas d’une “légère défaillance”, d’une erreur de communication ou d’un capteur défectueux. Il s’agit d’une énergie de traction qui applique les lois de la physique en quelques millisecondes.

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Qu’est-ce qu’une unité de puissance d’une phase d’un système de traction ?

Le bloc de puissance des moteurs de traction est responsable du contrôle direct de l’énergie fournie au moteur. Ses composants sont les suivants

  • modules IGBT ou thyristors de forte puissance,
  • des rails de courant et des connexions à très faible résistance,
  • les systèmes de refroidissement (air ou liquide),
  • les composants isolants et mécaniques,
  • les capteurs de température et les dispositifs de sécurité.

Dans le cas des véhicules ferroviaires fonctionnant dans les conditions polonaises, il s’agit de systèmes alimentés par le réseau à courant continu de 3 kV. Bien que la tension du réseau soit constante, des tensions locales de quelques kilovolts et des courants de centaines d’ampères se produisent dans les convertisseurs et les onduleurs eux-mêmes.

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Bloc de puissance pour une phase de l'entraînement du moteur

Pourquoi une phase peut détruire la moitié d’une garde-robe

Dans les moteurs de traction, chaque phase fonctionne avec une énorme densité d’énergie. En cas de court-circuit ou de rupture d’isolation, il n’y a pas d’augmentation lente de la température. C’est ce qui se produit :

  • la surtension actuelle,
  • l’arc électrique à l’intérieur du module,
  • surchauffe immédiate des structures semi-conductrices,
  • explosion mécanique du boîtier de l’élément de puissance.

Il en résulte des composants en plastique fondus, une isolation carbonisée, des pièces mécaniques éparpillées et des barres omnibus maculées. Ce que vous voyez après l’ouverture est le résultat d’événements qui durent quelques fractions de seconde.

Les causes les plus courantes de ces défaillances dans la réalité de la traction ferroviaire

Sur la base de l’expérience des services, plusieurs des scénarios les plus probables conduisant à des dommages aussi importants peuvent être identifiés :

  • court-circuit interne d’un module IGBT ou d’un thyristor à pleine charge de traction,
  • la rupture de l’isolation due à l’humidité, à la poussière conductrice ou à la contamination opérationnelle,
  • asymétrie de phase ou erreur de commande entraînant une surcharge d’une branche,
  • la fatigue des matériaux après des années de fonctionnement dans des cycles de démarrage-freinage,
  • l‘endommagement du moteur de traction qui détruit secondairement le bloc d’alimentation.

Pourquoi l’électronique de puissance “ne prévient pas” ?

Contrairement aux systèmes d’automatisation classiques, l’électronique de puissance n’émet pas de signaux d’alerte sous la forme d’erreurs qui s’accumulent au fil du temps. Lorsque les paramètres limites de la structure semi-conductrice sont dépassés, une destruction immédiate et irréversible se produit.

C’est pourquoi il est essentiel dans les diagnostics de l’entraînement de la traction :

  • l’analyse de l’historique des charges
  • le contrôle de la qualité du refroidissement,
  • mesure régulière de la résistance d’isolement,
  • la vérification des connexions mécaniques et des barres omnibus.

Diagnostic, options de réparation et conseils pratiques d’entretien

Comment diagnostiquer un bloc de puissance de traction défectueux ?

Le processus de diagnostic commence toujours par une évaluation visuelle qui, dans ce cas, fournit des informations essentielles. La carbonisation, la déformation et les marques d’arc indiquent clairement la direction à prendre.

Il est ensuite exécuté :

  • les mesures de court-circuit entre les bus DC et les sorties de phase,
  • des essais d’isolation à des tensions élevées,
  • vérification des capteurs de température et des systèmes de protection,
  • l’analyse des signaux de commande et de porte.

Qu’est-ce qui peut être récupéré et qu’est-ce qui peut être mis à la ferraille ?

Contrairement aux apparences, tous les composants visiblement endommagés ne doivent pas être mis au rebut. Dans la pratique :

  • sont irréparables une fois que la structure du semi-conducteur a explosé,
  • Les rails actuels doivent souvent être remplacés ou ajustés,
  • les composants mécaniques et de refroidissement peuvent être récupérés après une vérification approfondie,
  • les enveloppes et l’isolation sont généralement éligibles au remplacement.

Chaque cas doit être évalué au cas par cas, la sécurité et la fiabilité de la traction ferroviaire étant une priorité absolue.

Conseils pratiques pour les ingénieurs et les services de maintenance

Sur la base des défaillances réelles des blocs d’alimentation d’une phase de l’entraînement de traction, certaines recommandations clés peuvent être formulées :

  • vérifiez régulièrement l’état de l’isolation, surtout après des périodes de forte humidité,
  • surveiller les températures de fonctionnement des modules pendant les cycles de traction réels,
  • ne pas ignorer les asymétries de phase mineures et les anomalies de courant,
  • n’oubliez pas que le vieillissement de l’électronique de puissance est un processus inévitable.

Le bloc d’alimentation d’une phase de l’entraînement du moteur de traction d’un véhicule ferroviaire est l’endroit où la théorie rencontre la pratique brutale. Ce qui semble inoffensif sur le schéma fonctionne en réalité avec une énergie capable de transformer la moitié d’une armoire en restes carbonisés en une fraction de seconde.

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