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Centrale DCC V3.4
Le FREINAGE RHÉOSTATIQUE





       
       

GÉNÉRALITÉS
Les freins à frottements secs, trouvent leur limite dans l'usure et la destruction des matériaux par la chaleur.
Le freinage rhéostatique utilise la propriété qu'ont les moteurs de traction à fonctionner soit :
• Fonctionnement en moteur, pour la traction des trains,
• Fonctionnement en génératrice, pour le freinage des trains.
L'énergie des moteurs de traction entraînés par le train, 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.
En freinage rhéostatique, les moteurs de traction fonctionnent en génératrice et débitent dans des résistances montées sur l’engin moteur.
Deux modes de fonctionnement peuvent être utilisés : 
• Soit en génératrice série en auto-excitation, 
• Soit en génératrice à excitation séparée.
Le FREINAGE à EXCITATION SÉRIE ou AUTOEXCITATION
Le freinage rhéostatique consiste à brancher une résistance en série dans le circuit moteur et de faire débiter l'induit dans cette résistance.
moteur serie avec rheostat
Induit et inducteur en série avec le rhéostat

Lorsque le moteur est alimenté le courant circule de l'induit vers l'inducteur.
sens de circulation en traction
Sens de circulation du courant en traction

Lors du passage en freinage, le moteur fonctionnant en dynamo, le sens du courant s'inverse et se trouve en sens inverse dans l'inducteur, cela a pour conséquence d'annuler le magnétisme rémanent de l'inducteur rendant l'amorçage en freinage impossible.
annulation du champ remanent
Annulation du champ rémanent

Pour permettre à l'induit de débiter dans la résistance, il faut renforcer le plus rapidement possible le flux "rémanent" de l'inducteur.
Pour cela il faut que le courant dans l'inducteur soit du même sens que celui de l'induit.

Pour cela il faut, avant de passer dans la phase de freinage, inverser le sens de branchement de l’inducteur.
A ce moment-là, le flux inducteur s’ajoute au flux "rémanent" et le courant s’établit.

Pour que ce système puisse fonctionner, il faut cependant que le courant débité soit important, sinon l’amorçage de la génératrice ne se fait pas. 
le flux inducteur s’ajoute au flux remanent
Le flux inducteur s’ajoute au flux "rémanent"

Inconvénients
• Le phénomène d'amorçage est amplificateur, puisque la tension délivrée par la génératrice (l'induit), produit un courant qui renforce l'excitation, ce qui accroît la tension délivrée et ainsi de suite. Cet effet boule de neige est brutal et difficile à maîtriser :
• A faible vitesse la tension de la génératrice ( l'induit), étant peu élevée, l'amorçage est imprécis voire même impossible à réaliser,
• En période de freinage et au-dessous d'une certaine vitesse il y a désamorçage du freinage électrique.
Le point de fonctionnement correspond à une intensité importante et, par conséquent, à l’établissement d’un effort notable.
Ce manque de modérabilité est un inconvénient important du freinage rhéostatique à excitation série.
De plus, aux vitesses élevées, les performances de freinage sont limitées par la puissance maximale que peut évacuer le rhéostat. 
Les inconvénients de l'excitation série ont nécessité de rechercher des solutions destinées à faciliter l'amorçage des génératrices.

Pour réaliser cela, le schéma électrique a subi quelques modifications :
• L'Adjonction d'une batterie d'amorçage permettant une excitation mixte, série et batterie,
• L'Adjonction de diodes en parallèle sur les inducteurs.
amorcage bafr et diode
Circuit de freinage électrique avec BAFR et diode

Les diodes fixent la tension aux bornes des inducteurs. Cette tension est égale à la somme des tensions de seuil de conduction des diodes, tension qui reste pratiquement constante en ordre de marche.

Le courant délivré par l'induit est dérivé dans deux branches.
Dans les inducteurs, l'intensité est limitée par la tension appliquée à leurs bornes.
Ainsi, tant que l'intensité débitée par l'induit est supérieure à l'intensité nécessaire aux inducteurs pour produire l'excitation convenable, cette excitation reste constante, quelles que soient les variations de vitesses et d'effort enregistrées.
Cette disposition confère aux génératrices à excitation série des qualités qui se rapprochent de celles des génératrices à excitation séparées.
On peut donc conclure que le freinage rhéostatique à excitation série : 
• Présente l’avantage d’une très grande simplicité d’application sur les engins possédants un rhéostat. Il nécessite en effet fort peu d’équipement supplémentaire. Il en résulte qu’il est peu coûteux d’installation. 
• Présente les inconvénients suivants : 
   • Difficultés d’amorçage, amélioré par l'ajout d'une batterie d'amorçage BAFR,  
   • Un manque de finesse dans le réglage de l’effort de retenue. 

Ces inconvénients ont fait rechercher des artifices destinés à faciliter l’amorçage. Ces procédés font perdre l’avantage de la simplicité sans, pour autant, apporter une solution parfaitement satisfaisante pour la souplesse d’emploi. 
Aussi, en définitive, le freinage à excitation série ou auto-excitation est actuellement abandonné au profit du freinage rhéostatique à excitation séparée. 
Le FREINAGE à EXCITATION-SÉPARÉE
Le circuit de l'inducteur est indépendant du circuit de l'induit donc de freinage.

Le courant d'excitation est fourni par un générateur à tension variable qui peut être :
• Soit un groupe tournant,
• Soit un convertisseur statique,
• Soit un hacheur de courant.

Ces générateurs fonctionnent en transformateur de tension.

L’excitation des inducteurs pouvant être réglée à volonté, il n’existe plus aucun problème d’amorçage. En outre, la variation d’effort au passage d’un cran de rhéostat au cran suivant est telle que ce mode de freinage possède une excellente finesse de réglage.
Pour une valeur d'excitation donnée, la FEM des moteurs est proportionnelle à la vitesse. Donc, pour un rhéostat d'une résistance donnée, le courant dans celui-ci est proportionnel à la FEM (force électromotrice) du moteur, donc de vitesse. Le flux inducteur étant constant, le couple est constant, l'effort de retenue est par conséquent proportionnel à la vitesse.
Le générateur d'excitation possédant une grande finesse de réglage, il n'existe aucun problème de réglage de l'effort aux vitesses élevées.
freinage a excitation separee
Freinage à excitation séparée

PRINCIPE du FREINAGE ÉLECTRIQUE

                     
                           


Rappel de magnétisme
Un électroaimant est constitué par un noyau et un enroulement formant une bobine.
Lorsque cette bobine est alimentée, il se crée aux extrémités un pôle Nord et un pôle Sud.
bobine
Bobine

Si l'on place 2 bobines l'une à côté de l'autre rien ne se passe.
2 bobines
Deux bobines placées côte-à-côte

Lorsque l'on excite les bobines il se crée un champ magnétique qui crée aux extrémités des 2 bobines, un pôle Nord et un pôle Sud.
bobines alimentees
Champs magnétiques aux extrémités des bobines
Inversons le sens du courant dans une bobine.
Si les côtés des bobines les plus rapprochés sont deux pôles Nord ou deux pôles Sud, les bobines se repoussent.
les bobines se repoussent
Les bobines se repoussent

Si les côtés des bobines les plus rapprochés sont un pôle Nord et un pôle Sud ou inversement, les bobines s'attirent.
les bobines s'attirent
Les bobines s'attirent

Conclusion :
• Lorsque les courants d'excitation sont de même sens les pôles en regard sont contraires, un pôle Nord et un pôle Sud, les deux bobines s'attirent,
• Lorsque les courants d'excitation sont de sens inverses, les pôles en regard sont identiques, un pôle Nord et un pôle Nord, les deux bobines se repoussent, de même lorsqu'il s'agit de deux pôles Sud.

Ces principes sont utilisés pour le fonctionnement des moteurs à courant continu et pour le freinage rhéostatique.
Fonctionnement en moteur
Un moteur à courant continu comprend :
• Deux bobines inductrices A1 et A2,
• Un induit B qui tourne autour d'un axe O.

L'induit B lors de sa rotation autour du point O, passe successivement devant les inducteurs A1 et A2.
constitution moteur
Constitution d'un moteur à courant continu
Pour le fonctionnement en moteur, il faut exciter en même temps A1, A2 et B. Il en résulte une rotation continue de B et des appareils fixés à son axe O.
Pour obtenir une rotation de l'induit, il faut alimenter les deux bobines et l'induit B de telle sorte que les pôles N se situent à gauche et les pôles S à droite par exemple.
Le pôle S de B est attiré par le pôle N de A2.

B démarre dans le sens de la flèche.
fonctionnement en moteur
Fonctionnement en moteur

Lorsque B passe dans l'axe de A2, un dispositif 
inverse le sens du courant d'excitation de B.
L'induit et l'inducteur A2 ont maintenant leur pôle contigüe de même sens. Les deux pôles se repoussent, la rotation se poursuit.

Le mouvement de B se poursuit dans le même sens.
les deux poles se repoussent
Les deux pôles se repoussent

Lorsque B dépasse la verticale son pôle N, abandonne le champ de A2 et entre dans celui de A1 et se trouve attiré par le pôle S de A1.
Le mouvement de B se poursuit dans le même sens, et ainsi de suite.
les deux poles s'attirent
Les deux pôles s'attirent
Particularité.
Un moteur à courant continu, est à la fois un moteur ET un générateur.
C'est-à-dire que lorsque l'on alimente la bobine B (l'induit) sous une tension appelé FEM (Force-Electro-Motrice), l'intensité I1 qui le traverse permet de le faire tourner.

Lorsque l'induit tourne, les bobines d'induit (bobine de B) tournent et passent devant la bobines A1 et A2. Les bobines d'induit se comportent comme une dynamo et un courant d'induit I2 distinct du courant I1 les traversent. Cette tension s'appelle la FCEM : Force-Contre-Electro-Motrice) qui vient en opposition de la FEM.

Ainsi l'intensité résultante, lue à l'ampèremètre, est égale à : (FEM - FCEM) / R).
Voici ce qui se passe lorsque l'on fait démarrer un moteur avec une locomotive à graduateur.
1. Lors de la fermeture du circuit de traction, l'intensité s'établit,
2. L'intensité lue à l'ampèremètre monte très vite et très haut car la résistance électrique de l'induit est très faible : 0.03Ω,
3. Le moteur commence à tourner et l'intensité diminue puisque l'induit fonctionne simultanément en dynamo et produit une FCEM qui produit un courant de sens inverse,
4. Le conducteur doit augmenter l'effort moteur pour augmenter l'intensité et ainsi de suite.
Animation 1er cran de traction
1. Lors de la fermeture du circuit de traction, l'intensité s'établit, 400A,
2. L'intensité lue à l'ampèremètre monte très vite et très haut car la résistance électrique de l'induit est très faible : 0.03Ω,
3. Le moteur commence à tourner et l'intensité diminue (300A) puisque l'induit fonctionne simultanément en dynamo et produit une FCEM qui produit un courant de sens inverse.
1er cran de traction
                                           
Passage 2ième cran de traction
4. Le conducteur passe un deuxième cran de traction, l'intensité remonte, la tension également,
5. Le moteur accélère, la FCEM augmente,
6. L'intensité baisse à nouveau.
7. ......

Le conducteur par le passage régulier de cran de traction augmente ainsi l'effort moteur.

Si le conducteur ne passe pas de nouveau cran de traction, la FEM et la FCEM vont trouver un équilibre et l'effort moteur n'augmentera plus.
2ième cran de traction
                                      
Nota :
Sur une locomotive à thyristor, ce phénomène existe, mais l'électronique de commande compense en permanence la FCEM, ce qui fait que l'intensité lue à l'ampèremètre reste stable.
Fonctionnement en générateur
Pour faire fonctionner cet appareil en générateur de courant, il faut exciter les inducteurs A1 et A2, mais au lieu d'exciter l'induit B, on le force à tourner autour de O.
Dans le cas d'une locomotive, les moteurs sont entraînés par l'inertie du train (marche sur l'erre).
A partir de ce moment, une tension est produite aux bornes de l'induit, que l'on appelait en fonctionnement moteur la FCEM.

Le sens du courant qui circule dans B est fonction du sens de rotation de B.
fonctionnement en generatrice
Fonctionnement en génératrice
            
Si l'on réalise un circuit constitué de l'induit (B), d'une résistance (R), et d'un interrupteur (T), lorsque l'on ferme l'interrupteur T, un courant circule dans B et dans le circuit qu'il alimente.
L'appareil fonctionne alors en dynamo.
Pendant que l'on fait tourner l'induit et qu'il débite un courant dans le circuit extérieur, on rencontre une forte résistance qui s'oppose au mouvement de rotation, mais qui cesse dès que l'on ouvre l'interrupteur T.
Cette résistance est due au courant induit circulant dans B.
creation d'un courant induit dans b
Création d'un courant induit dans B
           
Pourquoi ?
Le courant induit, en traversant la bobine B (induit), aimante son noyau et crée à son extrémité droite un certain pôle dont le nom, Nord ou Sud, dépend du sens de circulation du courant induit dans la bobine.
Prenons la création d'un pôle N à droite de la bobine B (induit).
L'induit B en rotation (marche sur l'erre) se rapproche du pôle N de A2.
Le sens de circulation du courant dans B a créé à l'extrémité droite du noyau B un pôle N qui est repoussé par le pôle N de A2.
Comme 2 pôles identiques se repoussent, cette répulsion s'oppose au rapprochement des 2 bobines, cela a pour conséquence de freiner la rotation de l'induit.
les deux poles nord se repoussent
Les deux pôles Nord se repoussent
En continuant son mouvement, la bobine B (l'induit) s'éloigne du pôle N de la bobine A2.
Au niveau de la bobine A2, le courant s'inverse dans la bobine B (l'induit) grâce au collecteur, et ainsi le pôle créé à l'extrémité droite de la bobine B (l'induit) devient un S.
Cela a pour conséquence que le pôle N de la bobine A2 et le S de la bobine B (l'induit) s'attirent.
Comme 2 pôles opposés s'attirent, cette attraction s'oppose à l'éloignement des 2 bobines, cela a pour conséquence de freiner la rotation de l'induit, le freinage continu.
les deux poles nord et sud s'attirent
Les deux pôles Nord et Sud s'attirent

En continuant son mouvement, la bobine B se rapproche de la bobine A1.
Cela a pour conséquence que le pôle S de la bobine A1 et le pôle S de la bobine B se repoussent.
Comme 2 pôles identiques se repoussent, cette répulsion s'oppose au rapprochement des 2 bobines, cela a pour conséquence de freiner la rotation de l'induit.
Cette répulsion s'oppose au rapprochement des 2 bobines, le freinage continu.
les deux poles sud et sud se repoussent
Les deux pôles Sud et Sud se repoussent

Conclusion
Dans toutes les positions successives de la bobine B et quel que soit le nom du pôle fixe devant lequel passe la bobine B, le courant induit prend automatiquement le sens de circulation qui donne à la bobine B le magnétisme nécessaire pour que les inducteurs s'opposent à son déplacement.
On ne peut donc produire un courant induit sans dépenser d'une manière continue une force motrice capable de vaincre cette résistance.
L'effort nécessaire pour vaincre cette résistance a pour conséquence de ralentir la rotation de l'induit.
L’effort de retenue sera d’autant plus important que la vitesse de rotation des moteurs sera élevée, donc de l’intensité débitée par l’induit des moteurs.

Au fur et à mesure de la décélération du train, la vitesse de rotation de l'induit diminue, donc la tension induite dans la bobine B diminue.
Le conducteur doit pouvoir ajuster la force de freinage électrique, il agit pour cela sur la valeur de R pour ajuster la valeur de cette tension. R est réalisée par un Rhéostat pour faire varier la valeur de l'intensité dans la bobine B :
• En augmentant R on diminue la tension induite donc le freinage,
• En diminuant R on augmente la tension induite donc le freinage.
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