Le FREINAGE ÉLECTRIQUE





GÉNÉRALITÉS
Les freins à frottements secs, frottement d'un sabot contre la roue, trouvent leur limite dans l'usure et la destruction des matériaux par la chaleur.

Inconvénients
La chaleur engendrée par le frottement d'un sabot contre la roue, provoque une chaleur telle, qu'avec les vitesses pratiquées aujourd'hui, il serait impossible de dissiper cette chaleur, dans les sabots ou les roues, sans provoquer des dégradations importantes :
• Usure de la table de roulement,
• Plats,
• Criques thermiques,
• Ecaillages,
• Usure prématurée ou destruction des sabots,
• ...

Ces inconvénients sont incompatibles avec la circulation à grande vitesse et à la tenue en ligne du matériel.

Le freinage électrique devient une nécessité pour contrer tous ces problèmes.

Avantages
La commande du frein électrique permet de réaliser un gain important sur les distances d'arrêt, d'autant plus important que le train est long et que la vitesse est élevée.
Cet avantage résulte de la simultanéité de la mise en action du frein sans solliciter davantage l'adhérence. 

Le gain est de l'ordre de :
• 60 mètres pour un train de 10 voitures à 160 km/h,
• 180 mètres à 160 km/h pour un train de 20 voitures, sans solliciter davantage l'adhérence.

Le freinage électrique
Un système de freinage est dit électrique lorsque les moteurs de traction entraînés par le train, fonctionnent en génératrice.

Lorsqu'une génératrice débite dans une charge, résistance, caténaire, il apparaît sur l'arbre d'induit un effort tendant à le ralentir. Cela est vrai quel que soit le moteur utilisé, courant continu, synchrone, asynchrone. Seul la méthode pour amorcer le processus et l'entretenir est différente.

Il existe deux systèmes de freinage électriques :
• Le freinage rhéostatique,
• Le freinage par récupération

Le freinage électrique peut être utilisé seul ou conjointement avec le freinage pneumatique.

Le frein rhéostatique
Le frein est dit rhéostatique lorsque l'énergie produite par les moteurs de traction est dissipée en chaleur dans des résistances (résistances de démarrage sur les engins à courant continu, résistances spécialement installées pour les engins à hacheurs ou à courant monophasé).
Dans ce mode de freinage, seul l'engin moteur freine.

Le freinage rhéostatique ne nécessitant que l'appareillage de l'engin moteur pour fonctionner, est considéré comme un freinage de sécurité.
Il peut rentrer dans le freinage d'un train pour le respect des distances d'arrêt et de ralentissement.

Le frein par récupération
Le frein est dit à récupération lorsque l'énergie produite est renvoyée dans la caténaire, moyennant des dispositifs de commutation appropriés sur l'engin moteur et à condition que les sous-stations d'alimentation soient réversibles.

Le courant renvoyé doit avoir des caractéristiques proches de la tension d'alimentation et dépourvu autant que possible d'harmoniques générés par les hacheurs de courant (thyristor).
COMMANDE du FREINAGE ÉLECTRIQUE
La commande de freinage électrique peut se mettre en œuvre de deux manières soit :
• De manière automatique en cas d'utilisation du frein continu automatique,
• Soit volontairement par le conducteur.

Pour autant toutes les locomotives ne sont pas équipées du freinage électrique.

Locomotive non équipée du freinage électrique
Le manipulateur de traction ne possède que la position traction.

Le manipulateur situé sur la droite du pupitre ne possède que les crans de shuntage, la position TR (transition) peut éventuellement être utilisé pour placer les moteurs de traction de la position série à la position parallèle.

manipulateur de traction
        
                                                                          
Manipulateur de traction
                                                                                                
Manipulateur de shuntage

Locomotive équipée du freinage électrique
Deux possibilités, soit la locomotive est équipée :
• De thyristor,
• D'un graduateur.

Locomotive à thyristor
Le manipulateur de traction commande une plage d'intensité utilisé pour la traction ou le freinage.

Le manipulateur situé sur la droite du pupitre possède les positions :
F : freinage,
0 : Blocage cerclo,
T : traction,
VI : réglage en Vitesse Imposée.

Un levier de déverrouillage permet de passer sur le cran F : Freinage ou T : Traction.

       
manipulateur traction freinage
 
deblocage freinage
                                                     
Manipulateur de traction
                                                                         
Manipulateur traction freinage
                                     
Déblocage freinage

Locomotive à graduateur
Le manipulateur de traction possède une plage traction et une plage freinage, avec un 0 central qui permet l'ouverture des circuits de traction.

Le manipulateur situé sur la droite du pupitre possède les positions :
TR : transition, passage des moteurs de la position série à la position parallèle,
0, 1, 2, 3, 4, 5 : crans de shuntage,

Un levier de déverrouillage permet de basculer sur la position freinage.

manipulateur traction freinage

manipulateur transition et shuntage
 
deblocage freinage
                     
Manipulateur de traction freinage
                                                
Manipulateur de transition et shuntage
                                                
Déblocage freinage
AVANTAGES du FREINAGE ÉLECTRIQUE
Protection de la roue
L'énergie mécanique du train n'est plus dissipée par frottement du sabot contre la roue, les sollicitations thermiques et mécaniques auxquelles est soumise la table de roulement n'existent pratiquement plus. 
Cela permet de limiter : 
• Les échauffements de la roue,
• L'usure des sabots est diminuée, 
• L'usure de la table de roulement des roues est diminuée permettant de garder une bonne tenue en ligne dans le temps.

Souplesse d'emploi
Le frein rhéostatique permet une souplesse d'emploi très importante : 
• Il est disponible en permanence, 
• Le réglage de l'effort de retenue est ajustable finement, 
• Il permet la descente des déclivités d'une façon régulière sans à-coups,
• Il est très souple et supprime ainsi les nombreuses accélérations, décélérations, réactions et bruits divers, inhérent au freinage pneumatique.

Economie due au freinage électrique
Le freinage n'étant plus réalisé par le frottement de deux matériaux, sabot-roue ou disque-plaquette, il en résulte une économie non négligeable sur :
• Les semelles de frein,
• L'usure des tables de roulement, 
• Les coûts de main-d'œuvre,
• Les temps d'immobilisation des engins pour maintenance.

Economie d'entretien
• En permettant une économie de semelle de frein cela permet :
• De diminuer l'usure des semelles de frein,
• Diminuer le temps d'immobilisation des engins moteurs pour échange des semelles,
• Disponibilité des engins moteurs pour la remorque des trains,
• Réduction de circulation (HLP) pour rentrer les engins moteurs en atelier,
• ...

Limite imposée par l'adhérence
En traction c'est l'adhérence rail-roue qui assure l'entraînement des moteurs de traction.

Une première limitation de l'effort de freinage est donc déterminée par le coefficient d'adhérence rail-roue.
 
Si la roue ne rencontre pas des conditions d'adhérence satisfaisante il y a "glissement", c'est-à-dire une vitesse d'essieu inférieure à la vitesse réelle. Un blocage de l'essieu est même possible.

Limite imposée par les caractéristiques de l'engin moteur
L'effort maximum possible du freinage électrique est limité par l'intensité admissible par les moteurs lorsqu'ils fonctionnent en génératrices.

Qu'il s'agisse du freinage rhéostatique ou du freinage par récupération, une résistance est toujours insérée dans le circuit de freinage.

Les limites de performances des deux systèmes sont donc imposées par la tenue des résistances qui, placées dans un endroit donné, doivent transformer en chaleur une énergie électrique, sous réserve que les calories puissent être évacuées par une ventilation naturelle ou forcée.
DIFFÉRENTS TYPES d'UTILISATION du FREINAGE ÉLECTRIQUE
Le freinage électrique de maintien
Le freinage rhéostatique est utilisé seul :
• L’effort de retenue est uniquement créé en utilisant les moteurs de traction en génératrices. L’ensemble des véhicules ne sont pas freinés au frein continu automatique, seul l’engin moteur génère l’effort de retenue,
• Le freinage électrique est dit de maintien s'il a seulement pour effet de maintenir la vitesse du convoi sensiblement constante dans la descente des longues pentes sans intervention du frein pneumatique,
• Il est également utilisé pour réguler la vitesse lors de la conduite en vitesse imposée (VI).

Le freinage électrique combiné
Le frein électrique est dit combiné lorsqu'il résulte de la conjugaison du freinage pneumatique et du freinage électrique sur les engins moteurs :
• Lors de la commande d'un freinage pneumatique sur le train, le freinage électrique est mis en action sur la locomotive,
• Dès que la pression dans la conduite générale est inférieure à 4.650 bars, un relais place l’appareillage en position "freinage",
• Lorsque le freinage rhéostatique est obtenu, les cylindres de frein de l’engin moteur sont mis à l’atmosphère tant que la vitesse est supérieure à une valeur définie variant d'un engin moteur à un autre, 
(27 km/h sur une BB22200).
• L'effort de freinage est fixé par la valeur de la dépression dans la conduite générale, grâce à un relais de pression CG (QFCG),
• Dès que le courant de freinage apparaît, le frein pneumatique est automatiquement supprimé. Réciproquement, la pression aux cylindres de frein remonte ensuite pour compenser la perte d’efficacité du freinage rhéostatique dans les faibles vitesses,
• Il est rétabli en cas de disparition du freinage électrique.

En freinage rhéostatique d'urgence
En freinage rhéostatique d'urgence (dépression CG supérieure à 1,7 bar), en superposant au freinage électrique un freinage pneumatique partiel ou total selon la vitesse :
• Il est maintenu en service à sa valeur maximale et reste en action jusqu’à la vitesse de 12 km/h,
• La pression aux cylindres de frein de l’engin moteur est limitée à 2.2 bars jusqu’à 60 km/h et remonte ensuite à 3 bars, valeur pour une BB22200.
• Les contraintes mécaniques trop importantes sur l’essieu sont ainsi limitées et l’effort de freinage est maximal, 
• Le poids-frein V+E est alors inscrite sur la caisse de l'engin moteur.

v + e : 124t
                                  
v + e : 56t
                                                                                 
V + E : 124 t
                                                                                                               
V + E : 56 t

Le freinage rhéostatique d'urgence doit présenter un caractère de sécurité, c'est pourquoi son fonctionnement est indépendant de la tension caténaire.
C'est un freinage rhéostatique à excitation séparée, celle-ci étant fournie par une ou plusieurs batteries spéciales. De ce fait l'effort de retenue peut être réalisé même en cas d'absence du courant caténaire ou d'ouverture du disjoncteur.

Nota :
Le freinage par récupération en continu ou en monophasé, nécessite la présence d'une tension caténaire, n'est pas un frein de sécurité.
Les engins ainsi équipés (Certaines BB7200) doivent avoir en plus un frein rhéostatique à excitation séparée mis en action lors des serrages d'urgence.