TITRE : Pantographe équipé d’un système d’alimentation basse tension

La présente invention concerne un système d’alimentation basse tension destiné à être installé sur un pantographe pour véhicules électriques alimentés par caténaires, tel que des trains électriques ou des véhicules urbains de transport de passagers (tramway, métro... ).

Elle concerne ainsi un pantographe équipé d’un tel système d’alimentation basse tension.

L’invention s’applique en particulier à l’alimentation autonome de dispositifs basse tension embarqués dans un véhicule électrique alimenté par caténaires et situés au niveau d’un pantographe. En effet, il est courant que des dispositifs de mesure sophistiqués soient installés au niveau du pantographe pour mesurer, durant les déplacements du véhicule alimenté par le pantographe, différents paramètres électriques, optiques, thermiques et mécaniques liés à l’interaction entre le pantographe et les caténaires. Ces mesures peuvent être utilisées pour la maintenance des caténaires et la détection et la localisation de problèmes au niveau des caténaires, tels que des défauts de positionnement latéral ou de tension mécanique des caténaires. Le contrôle permanent des caténaires par les véhicules circulant sur la voie permet d’intervenir préventivement avant l’occurrence d’une avarie de caténaire pouvant engendrer des interruptions conséquentes de trafic.

Pour que les dispositifs de mesure fonctionnent correctement, il est primordial d’assurer une alimentation basse tension stable et fiable de ces dispositifs de mesure. Or l’alimentation basse tension de ces dispositifs n’est pas simple vu que les pantographes assurant l’alimentation électrique de puissance des véhicules sont sous haute tension. En effet, les tensions électriques de caténaire pouvant aller de 750 à 25.000 V en courant continu ou alternatif, elles requièrent une isolation galvanique performante de tous les systèmes électriques situés à proximité du pantographe. Ainsi, l’alimentation électrique des dispositifs de mesure pose des problèmes électriques dont la résolution est complexe et coûteuse.

Comme expliqué ci-dessous, différentes solutions sont couramment employées pour assurer l’alimentation électrique basse tension de dispositifs situés au niveau des pantographes.

Un transformateur à haute tension d’isolement peut être utilisé à cet effet. Néanmoins, son intégration mécanique et électrique sur le toit du véhicule au niveau du pantographe est délicate. En effet, ces transformateurs sont relativement volumineux et leur fixation sur la toiture doit être suffisamment solide pour supporter les contraintes mécaniques résultant des accélérations dans toutes les directions spatiales durant les déplacements du véhicule. Ces contraintes mécaniques sont d’autant plus importantes du fait du poids conséquent des transformateurs. De plus, les transformateurs à haute tension d’isolement sont onéreux et ajoutent un risque de court-circuit haute tension en cas de défaillance de celui-ci.

Une alimentation par batteries peut aussi être envisagée. Néanmoins, cette solution nécessite des accès fréquents à la toiture pour remplacer les batteries déchargées, nécessitant des coupures et une sécurisation de la haute tension. De plus, une décharge prématurée des batteries ou un problème de remplacement des batteries ne peuvent être exclus, avec le risque de perte des mesures. Des solutions existent pour augmenter le temps de fonctionnement des batteries telles que leur couplage à des panneaux solaires ou à une éolienne, sans pour autant éliminer complètement la nécessité de les remplacer régulièrement.

La présente invention a pour but de proposer un pantographe avec un système d’alimentation basse tension amélioré pour assurer le fonctionnement des dispositifs électroniques situés au niveau du pantographe et qui résout au moins certains problèmes des solutions connues.

A cet effet, l’invention vise un pantographe comprenant une tête de pantographe à deux archets, et comprenant un système d’alimentation basse tension, comprenant au moins un transducteur convertissant l’énergie mécanique générée par des mouvements oscillatoires de la tête de pantographe à au moins deux archets en une énergie électrique ; chaque archet étant relié mécaniquement à un bras de suspension, ledit bras de suspension étant relié mécaniquement à une liaison élastique, et ladite liaison élastique étant reliée par une articulation à l’extrémité d’un bras supérieur du pantographe, dans lequel au moins un premier transducteur est relié mécaniquement d’une part audit bras de suspension relié à un premier archet, et d’autre part à l’articulation.

Ainsi le système d’alimentation selon l’invention est entièrement autonome, peu coûteux à réaliser et il ne nécessite que peu ou pas de maintenance régulière. De plus, ce système d’alimentation est indépendant de l’alimentation électrique de puissance du véhicule. Il convient donc aussi bien aux véhicules électriques alimentés par un courant électrique alternatif, qu’à ceux alimentés par un courant continu.

Plus particulièrement, le transducteur convertit l’énergie mécanique générée par des mouvements vibratoires du pantographe

Lesdits mouvements vibratoires sont, de façon générale, des mouvements vibratoires complexes causés par les mouvements des éléments du pantographe, et/ou de ses pièces mobiles interne, et/ou et de la caténaire. De manière générale, lesdits mouvements vibratoires sont une combinaison de mouvements linéaires et/ou rotatifs, dans une ou plusieurs directions spatiales.

En particulier, lesdits mouvements vibratoires sont causés par le frottement de l’archet sur une caténaire.

Lesdits mouvements vibratoires peuvent être linéaires, sensiblement verticaux, et/ou sensiblement rotatifs.

Le transducteur convertit l’énergie mécanique générée par les mouvements oscillatoires d’une tête de pantographe à au moins deux archers.

La disposition d’au moins un premier transducteur entre un bras de suspension et l’articulation permet notamment de récupérer l’énergie de composantes rotatives de mouvement vibratoires complexes. Une telle récupération d’énergie est particulièrement significative dans le cas d’une tête de pantographe à double archet. En pratique, le premier transducteur peut être relié mécaniquement d’une part audit bras de suspension relié à un premier archet, et d’autre part à un bras commun aux deux archets. Le bras commun est relié par une articulation au bras supérieur de pantographe. Ainsi, indirectement, le transducteur est également relié mécaniquement à l’articulation.

Dans une telle réalisation, la liaison élastique peut avantageusement se présenter sous la forme d’une « boîte à ressort ».

Selon un mode de réalisation particulier, au moins un deuxième transducteur est disposé entre le bras de suspension relié à un deuxième archet, et l’articulation.

Selon une variante, l’au moins un transducteur est un transducteur à induction.

Préférentiellement, le transducteur comprend un plongeur relié mécaniquement à l’un des bras de suspension, et générant un champ magnétique dans une bobine à induction du transducteur.

Selon une autre variante, l’au moins un transducteur est un module piézo-électrique soumis à une contrainte mécanique générée par le mouvement d’un des bras de suspension.

Préférentiellement, le système d’alimentation comprend en outre un dispositif de traitement électrique comprenant une unité de stockage de l’énergie électrique fournie par l’au moins un transducteur.

Grâce à ces caractéristiques, l’énergie électrique générée par le transducteur est stockée pour alimenter les dispositifs basse tension. En particulier, l’énergie stockée dans l’unité de stockage de l’énergie électrique peut être utilisée lorsque le système d’alimentation ne produit pas, ou peu, d’énergie, c’est-à-dire lorsque la partie mobile du pantographe n’est pas, ou peu, en mouvement.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention sont mis en évidence par la description ci-après d’exemples non-limitatifs de réalisation des différents aspects de l’invention. La description se réfère aux figures annexées qui sont aussi données à titre d’exemples de réalisation non limitatifs de l’invention : la figure 1 représente schématiquement un premier type de pantographe équipé d’une bobine à induction, la figure 2 représente schématiquement un premier type de pantographe équipé d’une céramique piézo-électrique, la figure 3 représente schématiquement un deuxième type de pantographe équipé d’une bobine à induction, la figure 4 représente schématiquement un deuxième type de pantographe équipé d’une céramique piézo-électrique, et la figure 5 représente schématiquement un deuxième type de pantographe selon une variante de réalisation

Afin de surveiller le fonctionnement des pantographes assurant l’alimentation en énergie électrique de puissance des véhicules, tels que par exemple les locomotives de trains, les véhicules ferroviaires automoteurs, ou les tramways, et l’état des caténaires sous lesquels les pantographes sont en contact, des dispositifs électriques sont embarqués sur le toit de ces véhicules au niveau du pantographe.

La figure 1 représente un toit 1 d’une locomotive sur laquelle est monté un pantographe 2 par l’intermédiaire d’isolateurs électriques 3. Le pantographe 2 est un dispositif articulé qui peut soit être en position repliée, soit en position érigée. C’est dans cette position érigée, telle que montrée à la figure 1 , que le pantographe peut capter le courant électrique assurant l’alimentation en puissance de la locomotive par frottement d’une tête de pantographe 4 sur une caténaire 5.

Dans les matériels ferroviaires électriques, les pantographes avaient usuellement la forme d'un losange. De nos jours, les pantographes modernes ne sont constitués que d’un bras inférieur 6 relié de façon articulée à un bras supérieur 7. D’une part, le bras inférieur 6 est relié mécaniquement par une de ses extrémités au toit 1 de la locomotive, via une première articulation 8. Le bras 6 est isolé du toit 1 de la locomotive au moyen des isolateurs 3. D’autre part, il est relié par son autre extrémité à une des extrémités du bras supérieur 7, via une deuxième articulation 9. Le bras supérieur 7 supporte à son autre extrémité la tête de pantographe 4. Les pantographes modernes peuvent avoir une amplitude de mouvement vertical allant jusque 3,8 mètres. Le pantographe est actionné pour passer de la position repliée à la position érigée par un dispositif de levage (non représenté) qui peut être pneumatique ou électrique, le retour à la position repliée se faisant généralement par gravité.

La tête de pantographe 4 comporte un archet 10 qui vient frotter sur la caténaire 5 lorsque le pantographe 2 est en position érigée. Une bande de frottement (non représentée) généralement en carbone est montée sur la face supérieure de l’archer 10 afin de venir frotter sur la caténaire 5 pour capter le courant électrique qui y transite. Un dispositif de contrôle assure que le dispositif de levage du pantographe 2 génère une pression contrôlée de l’archet 10 sur la caténaire 5. Néanmoins, afin de compenser des différences de hauteur de la caténaire 5 sur le trajet de la locomotive et de la présence sur la caténaire 5 d’éléments nécessaires à sa suspension, la tête de pantographe 4 comporte une suspension 11 reliant de façon mobile l’archet 10 au bras supérieur 7 du pantographe 2.

Les dénivelées de la caténaire 5 ainsi que ses défauts mécaniques génèrent un mouvement vibratoire sensiblement vertical 12 qui est amplifié par la vitesse du train. Ce mouvement vibratoire sensiblement vertical 12 est compensé par la suspension 11 qui évite les décollements de l’archet 10 de la caténaire 5. En effet ces décollements génèrent des arcs électriques qui sont nocifs pour la tenue de la caténaire et de la bande de frottement, qui engendrent des nuisances électromagnétiques. Les pertes de contact entre l’archet et la caténaire peuvent provoquer l’arrêt de la chaîne de traction

Un ou plusieurs dispositifs électriques 13 sont montés au voisinage de la première articulation 8 du bras inférieur 6 du pantographe 2, ou à tout autre endroit sur le pantographe 2. Ces dispositifs électriques 13 peuvent assurer différentes fonctions. Ce sont le plus souvent des systèmes de mesure alimentés en basse tension.

Dans l’exemple de réalisation illustré à la figure 1 , le courant électrique nécessaire à cette alimentation basse tension est généré par un transducteur 15 à induction convertissant les vibrations sensiblement verticales 12 de l’archet 10 en énergie électrique. Le courant électrique basse tension généré par le transducteur 15 à induction est redressé et géré par un dispositif de traitement électrique 14 avant d’alimenter les dispositifs électriques 13.

Le dispositif de traitement électrique 14 est composé par exemple d’un système de redressement et d’une unité de stockage de l’énergie électrique fournie par la bobine à induction 15b.

Il comporte en outre un contrôleur qui gère l’énergie électrique ainsi générée ainsi que le fonctionnement interne du système d’alimentation électrique basse tension décrit ci-dessus de manière à ce qu’il puisse alimenter n’importe quelle sorte de dispositif électrique 13.

Le transducteur 15 à induction comporte un plongeur 15a générant un champ magnétique, tel un plongeur ferromagnétique ou un aimant, relié mécaniquement à une première partie mobile 16 de la suspension 1 1 rattachée à l’archet 10. Le transducteur 15 à induction comporte également une bobine à induction 15b reliée mécaniquement à une deuxième partie 18 de la suspension 1 1 reliée au bras supérieur 7 du pantographe 2. Le mouvement vibratoire 12 de l’archet 10 par rapport au bras supérieur du pantographe se transmet à la première partie 16 de la suspension 1 1 qui entraine le plongeur 15a qui vibre à son tour à l’intérieur de la bobine à induction 15b. Ainsi le mouvement vibratoire vertical 12 est converti en énergie électrique qui est transmise par une liaison électrique au dispositif de traitement électrique 14, ce dernier pouvant être situé aussi bien à la base du pantographe, qu’à proximité immédiate du transducteur 15 à induction. En particulier, lorsque le transducteur à induction et le dispositif de traitement électrique 14 sont distants, la liaison électrique prend la forme d’un câblage 19, pouvant être guidé le long des bras inférieur 6 et bras supérieur 7.

La figure 2 montre un deuxième exemple de réalisation dans laquelle le transducteur à induction est remplacé par un transducteur piézoélectrique constitué d’un module piézoélectrique 20.

Dans cet exemple de réalisation, c’est l’effet piézoélectrique direct, c’est-à-dire la polarisation d’un composant piézoélectrique lorsqu’il est mis sous contrainte, qui est utilisé pour générer de l’énergie électrique. Comme illustré à la figure 2, le module piézoélectrique 20 est monté entre une première armature 21 reliée mécaniquement à la deuxième partie de la suspension 18 et une deuxième armature 22 reliée mécaniquement à l’extrémité du bras supérieur 7 opposée à celle reliée à la deuxième articulation 9. Le module piézoélectrique peut-être constitué d’une céramique piézoélectrique ou d’autre matériaux piézoélectriques, tels que les piézocomposites.

Lorsque la locomotive se déplace sous la caténaire 5, le mouvement vibratoire vertical 12 de l’archet 10 se transmet à la suspension 11. Ce mouvement vibratoire vertical 12 est transmis à la première armature 21 qui vient ainsi comprimer le module piézoélectrique 20 contre la deuxième armature 22. Cette compression mécanique du module piézoélectrique est convertie en une tension qui génère un courant transmis au dispositif de traitement électrique 14 par la liaison électrique, afin d’alimenter le dispositif électrique 13.

La figure 3 montre un deuxième type de pantographe 2 dans lequel la tête de pantographe 4 est munie de deux archets 10 frottant simultanément sur la caténaire 5. Les deux archets 10 sont fixés mécaniquement à une suspension oscillante 23 reliée par une troisième articulation 24 à l’extrémité du bras supérieur 7 opposée à celle reliée à la deuxième articulation 9. Des liaisons élastiques 25 relient mécaniquement la troisième articulation 24 à des bras de suspension mobiles 26. Ces liaisons élastiques peuvent comprendre des ressorts hélicoïdaux, des rondelles élastiques coniques, ou tout autre élément élastique permettant une compression et une détente axiale entre le bras de suspension 26 et la troisième articulation 24. Chaque bras de suspension 26 est relié mécaniquement à l’un des archets 10.

Dans une variante non illustrée chaque bras de suspension 26 peut comprendre une suspension verticale similaire à celle de la tête de pantographe 4 illustrée aux figures 1 et 2.

Dans l’exemple de réalisation illustré à la figure 3, le transducteur est constitué d’une part par une bobine à induction 15b reliée mécaniquement à l’extrémité d’une des liaisons élastiques 25 située du côté de la troisième articulation 24, et d’autre part par un plongeur 15a générant un champ magnétique, tel un plongeur ferromagnétique, relié mécaniquement à l’autre extrémité de la liaison élastique 25 située du côté du bras de suspension 26.

Dans une variante non illustrée une bobine à induction 15b et un plongeur 15a peuvent être montés sur chacune des liaisons élastiques 25.

Dans ce contexte, les irrégularités mécaniques et les dénivellations de la caténaire 5 engendrent des vibrations au niveau des archets 10 qui font osciller la suspension oscillante 23 autour de la troisième articulation 24 et se comprimer et se détendre les liaisons élastiques 25. Ces mouvements de compression/détente 27 des liaisons élastiques 25 font vibrer le plongeur 15a à l’intérieur de la bobine à induction 15b. La vibration du plongeur est convertie en un courant dans la bobine à induction 15b qui est transmis par la liaison électrique au dispositif électrique 13 via le dispositif de traitement électrique 14. Si nécessaire, le plongeur 15a et la bobine à induction 15b montés sur une liaison élastique 25 peuvent être doublés par un deuxième ensemble plongeur/bobine monté sur l’autre liaison élastique 25. Ce dispositif à un ou deux transducteurs à induction monté sur les liaisons élastiques 25 peut aussi être complété par un dispositif de transduction à induction monté sur une ou les deux bras de suspension 26 comme illustré aux figures 1 et 2.

On obtient ainsi un concept d’alimentation basse tension adaptable à différents niveaux de puissance électrique pour alimenter différents types de dispositifs électriques 13.

La figure 4 montre un autre exemple de réalisation d’alimentation basse tension pour un pantographe 2 à double archets 10 dans lequel un ou les deux bras de suspension 26 comprennent un module piézoélectrique 20 monté entre une première armature 21 reliée mécaniquement à l’extrémité du bras de suspension 26 située du côté de l’archet 10 et une deuxième armature 22 située du côté du bras de suspension 26 relié à la liaison élastique 25 correspondante. Alternativement, la configuration du dispositif piézoélectrique illustrée à la figure 2 peut aussi être utilisée comme variante pour un pantographe 2 à double archets 10 comme illustré à la figure 4. Le module piézoélectrique 20 peut être du même type que celui décrit ci-dessus en relation avec la figure 2. Dans ce contexte, les irrégularités mécaniques et les dénivellations de la caténaire 5 engendrent d’une part des vibrations au niveau des archets 10 qui font osciller la suspension oscillante 23 autour de la troisième articulation 24 et d’autre part des contraintes mécanique de compression dans les bras de suspension 26 qui compriment le module piézoélectrique 20.

Ainsi, les contraintes mécaniques induites dans le module piézoélectrique 20 génèrent un courant qui est transmis au dispositif électrique 13 par la liaison électrique via le dispositif de traitement électrique 14.

La figure 5 montre un autre exemple de réalisation d’alimentation basse tension pour un pantographe 2 à double archets 10. Ici, chacun des archets 10 est relié à un bras commun 28, qui est lui-même relié par une articulation 24 au bras 7 du pantographe.

Chaque archet 10 est relié au bras commun 28 au moyen d’une liaison élastique 25. Ici, la liaison élastique représentée à la figure 5 est une « boîte à ressort », comprenant un ressort relié mécaniquement d’un côté à un bras de suspension 26 d’un archet 10, et relié mécaniquement de l’autre côté au bras commun 28.

Dans l’exemple illustré, le transducteur est un transducteur 15 à induction. Le plongeur 15a est ici relié mécaniquement à l’archet, et la bobine à induction 15b est reliée mécaniquement au bras commun 28.

Dans ce mode de réalisation, la composante du mouvement oscillatoire de la tête d’archet, dont l’énergie est récupérée, est principalement une composante linéaire.

Ce mode de réalisation présente l’avantage de pouvoir être mis en œuvre aisément, grâce à l’utilisation de « boîtes à ressorts ».

Comme pour les modes de réalisations précités, un transducteur à induction dans ce mode de réalisation peut être remplacé par un transducteur piézoélectrique, relié d’une part à un bras de suspension 26 solidaire de l’archet 10, et d’autre part au bras commun 28. Les transducteurs à induction ou les transducteurs piézoélectriques sont des dispositifs employés couramment, bon marché et faciles à mettre en œuvre. Une fois installés, les systèmes d’alimentation basse tension décrits ci-dessus sont fiables et ne nécessitent pas ou peu de maintenance, ce qui génère des économies de fonctionnement. De plus, comme indiqué ci-dessus, un pantographe peut être équipé d’un ou plusieurs transducteurs de la même catégorie, ou une combinaison de transducteurs à induction et piézoélectrique montés sur les liaisons élastiques 25 et/ou sur les bras de suspension 26 et/ou tout autre endroit du pantographe générant un mouvement. Ainsi, la description faite ci-avant ne limite pas l’emploi de la récupération d’énergie à une technologie unique (à induction ou piézoélectrique). L’utilisation à la fois d’au moins un transducteur à induction et d’au moins un transducteur piézoélectrique peut être envisagée pour augmenter encore davantage la quantité d’énergie récupérée. De la même manière, la description ne limite pas la disposition du ou des transducteurs, qu’ils soient à induction et/ou piézoélectrique, au niveau de la tête de pantographe. Par exemple, il est envisageable de disposer un transducteur au niveau de l’angle formé entre les bras 6 et 7 du pantographe, notamment au niveau de l’articulation 9, de façon à convertir le mouvement rotatif au niveau de ladite articulation en énergie électrique. De manière identique, il est envisageable de disposer un transducteur au niveau de l’articulation 8.

Une telle disposition d’un transducteur est particulièrement avantageuse lorsque le pantographe 2 comprend une ou plusieurs suspensions rotatives, par exemple agencée au niveau de l’articulation 9 entre les bras 6 et 7 du pantographe.

Bien que dans la description ci-dessus les aspects particuliers de l’invention, notamment la mise en œuvre d’un ou plusieurs transducteurs, aient été décrits dans le contexte d’une locomotive à traction électrique alimentée par une tension alternative ou continue transmise par pantographe et caténaire, ils pourraient être mis en œuvre dans d’autres configurations, notamment avec d’autres types de véhicules de transport, comme par exemple les véhicules urbains de transport de passagers tels que les tramways ou les trolleybus.