Fonctionnement d'un engin électrique

Le couplage des moteurs en série, série parallèle ou parallèle influe sur la tension arrivant à leurs bornes : dans le cas d'une locomotive fonctionnant sous 1500 V continu et équipée de 4 moteurs de traction, en régime parallèle, chaque moteur est alimenté sous une tension de 1500 V, contre 750 V en série - parallèle (groupe de deux moteurs en série) et 375 V lorsque les quatre moteur sont en série.

Le rhéostat, lui, consiste à faire varier l'intensité reçue par les moteurs. Pour cela, on intercale un nombre variable de résistances, qui dissipent de l'énergie sous forme de chaleur (pertes par effet Joule).

Les engins plus récents (à parti des années 70) sont équipés de ponts hacheurs de courant, donnant de meilleures performances aux moteurs à courant continu et évitant le gaspillage d'énergie dans les rhéostats.

Les ponts hacheurs de courant, d'abord réalisés à base de thyristors (cas des BB 7200, les TGV Sud Est, sont depuis les années 90 réalisés à base de GTO voire d'IGBT.

Vu leur coût d'entretien, les moteurs à courant continu ont été remplacés depuis une vingtaine d'années par des moteurs à courant triphasé, dépourvus de balais, ce qui donne le montage suivant :

Le principe de hacheurs permettant de faire varier une tension continue est conservé, mais modernisé avec l'utilisation d'IGBT ou de GTO à la place des thyristors.

En revanche, un ou plusieurs blocs onduleurs font leur apparition : ils convertissent le courant continu en un courant triphasé à fréquence variable, qui est ensuite utilisé dans des moteurs soit synchrones (exemple : TGV Atlantique et réseau, BB 26000) soit asynchrones (BB 36000, 27000 et tous les engins modernes...).

Le courant alternatif ainsi abaissé est parfois utilisé directement dans les moteurs. Cependant, leurs caractéristiques sont alors peu propices à la traction de trains lourds, surtout si le courant a une fréquence de 50 Hz (cas des BB 13000, cantonnées aux trains légers et rapides) : certains réseaux (Suisse, Allemagne, Autriche, Suède) ont alors choisi une fréquence de 16,7 Hz, donnant de meilleures performances mais exigeant un réseau spécifique.

Apparue dès le début du vingtième siècle lors des premières électrifications en monophasé, cette solution très lourde et bruyante était obligatoire pour pouvoir utiliser des moteurs à collecteur avant l'apparition des semi conducteurs de puissance dans les années 50. Aussi appelé "groupe Ward Leonard" du nom de son inventeur, le groupe convertisseur consiste en un moteur monophasé entraînant une génératrice fournissant une tension continue variable, sur laquelle sont branchés les moteurs de traction. En France, la seule série à avoir utilisé ce système est celle des CC 14100, qui ont disparu en 1997.

Variante du groupe "Ward Leonard", cette fois ci le groupe convertisseur consiste en un moteur monophasé entrainant à vitesse variable une génératrice triphasé, d'où un courant de fréquence variable alimentant des moteurs triphasés, d'entretien moins onéreux. Utilisé sur les CC 14000, ce dispositif s'est révélé peu fiable : il faudra attendre les années 80 pour pouvoir enfin utiliser ce principe, grâce à l'électronique de puissance.

Permettant d'utiliser des moteurs à courant continu, c'est cette solution apparue en 1954 sur les BB 12000 qui a véritablement permis le développement des électrifications en 25000 V 50 Hz.

Le graduateur, réglant l'intensité du courant, permet de coupler en permanence les moteurs en parallèle et de se passer de rhéostat. Les performances d'un tel dispositif sont surprenantes, car supérieurs à celles d'un rhéostat alimentant des moteurs à courant continu.

Utilisant elle aussi des moteurs à courant continu, cette solution maitrisée à partir des années 60 est la plus simple pour réaliser des engins bicourant : le schéma est le même que pour une machine à rhéostat, avec en amont un transformateur et des redresseurs fournissant le courant continu.

Cette solution, utilisée sur les BB 25500, permet d'avoir des performances identiques quel que soit le type de courant à la caténaire, mais impose la présence d'un rhéostat, d'où un encombrement et des pertes énergétiques sous forme de chaleur.

En sortie du transformateur, le courant est redressé grâce à des thyristors (parfois montés en ponts mixtes avec des diodes pour des raisons de coûts et de perturbations), puis le courant continu obtenu est haché grâce à d'autres thyristors, ce qui permet d'avoir de meilleures performances de la part des moteurs de traction, à courant continu. En France, les BB 15000 sont les seules locomotives à utiliser ce principe.

Solution la plus moderne, utilisée depuis une vingtaine d'années, mais sujette à plusieurs variantes selon les types des redresseurs (thyristors, GTO, IGBT...) et des moteurs (synchrones ou asynchrones).