Le pantographe

Le captage du courant, en apparence simple, réalisé par un ou des contacts glissants montés sur un système articulé frottant sur une ligne de contact, est en réalité d'une complexité d'autant plus grande que la vitesse est élevée.

Il faut en effet, assurer sans interruption, une alimentation des moteurs de traction par l'intermédiaire de contacts glissants jusqu'à des vitesses de 320 km/h.

Cela est réalisé par : Le PANTOGRAPHE

Le pantographe est l'élément fondamental de la traction électrique mais il est aussi le plus rudimentaire puisqu'il permet l'alimentation de locomotives puissantes par le simple appui de barres de frottement sur le méplat du ou des fils de contact.

Problèmes rencontrés

Le pantographe est monté sur la toiture de l'engin moteur il est donc soumis :

Pantographe continu en toiture

Pantographe monophasé en toiture

Au niveau mécanique

• Aux mouvements de la caisse, (décollement, choc, rebondissement...),
• Aux irrégularités de la voie, (décollement, choc, rebondissement...),
• A la flexibilité de la caténaire,
• Pression exercée par le pantographe sur le fil de contact, (usure du fil de contact),
• Aux dénivellations de la caténaire :
• Hauteur sous les ponts, (décollement),
• Hauteur au niveau des Passages à Niveau, (décollement),
• ...
•

Au niveau électrique

Les intensités captés à la caténaire peuvent être très importantes :
• Pour un engin moteur type BB22200 d'une puissance de 4400 Kw,
• 176 A sous courant monophasé,
• 2933 A sous courant continu.

Il faut donc prendre de grandes précautions pour éviter une fusion de la caténaire (essentiellement en courant continu) au point de contact, caténaire-pantographe.
Cela passe d'une part, par la conception de la caténaire et du pantographe et d'autre part, par la règlementation appliquée par les conducteurs.

L'ensemble caténaire-pantographe doit pouvoir faire face à toutes ces difficultés pour assurer une captation satisfaisante du courant de traction dans tous les cas.

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Le PANTOGRAPHE

Généralités

Le pantographe est constitué par une tête ou contact glissant (archet et bandes d'usure) monté sur un système articulé déformable ou "cadre" actionné par un mécanisme de commande.
Le tout est monté sur un bâti fixé sur la toiture de l'engin moteur par l'intermédiaire d'isolateurs.

Le bâti

Il est constitué par un cadre métallique rigide qui supporte le système articulé et est fixé sur la toiture de l'engin moteur par l'intermédiaire d'isolateurs appropriés à la tension (1500 V ou 25 Kv) captée.

Pantographe complet

Le contact glissant

Il est constitué par des barres de frottement fixées sur un ou deux cadres appelés archets.

Les points de contact entre les bandes d'usure et le ou les fils de contact permettent d'acheminer le courant dans la locomotive.
L'intensité ainsi captée passant par ces points de contact peut être très importante (plusieurs milliers d'ampères). Il faut donc prendre de grandes précautions lors des décollages et démarrage des trains ou lors de la mise en tête, pour éviter la fusion de la caténaire par échauffement excessif.

L'expérience montre qu'un contact glissant n'a besoin que d'une surface très faible pour capter de fortes intensités.
Le point de contact étant glissant pendant la marche, il n'échauffe pas toujours le même point.

Le problème se pose à l'arrêt, lorsque l'engin moteur capte l'énergie nécessaire pour le décollage du train et pour assurer le chauffage train.

Les barres de frottement

Les barres de frottement, ou bandes d'usure, sont conçues pour s'user plus vite que la ligne de contact.
Pour les rendre amovibles elles sont fixées sur l'archet par des vis.

Bandes d'usure fixées par des vis

En courant alternatif 25Kv 50Hz

Les intensités sont dans tous les cas très faibles, il suffit :
• D'un archet "unipalette" muni de deux barres de frottement,
• Le courant est capté par deux points différents.

Archet unipalette 25 Kv avec deux bandes d'usure

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Le courant est capté par deux points de contact différents

En courant continu 1,5 Kv

L'intensité capté est beaucoup plus importante qu'en monophasé (22200 sous 1,5 Kv = 2933A), il est impératif de multiplier les points de contact avec le fil de contact pour diviser l'intensité capté par chaque point afin de limiter l'échauffement localement.
Pour cela le pantographe est constitué de deux archets munis chacun de 4 barres de frottement.

Le courant est capté par huit points de contact différents.

Archet bipalette 1,5 Kv avec 4 bandes d'usure par archet

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De plus en courant continu un deuxième fil de contact est présent ce qui double les points de contact avec les archets et donc les bandes d'usure.
Dans ce cas le courant est capté par seize points de contact différents.

le courant est capté par seize points de contact différent

Le courant est capté par deux points de contact différents

Problème lié au décollage du train en courant continu

L'intensité capté avant le décollage (les premiers tours de roue) est maximale (2800A pour une BB9300 plus le chauffage train éventuellement) puisqu'il est nécessaire de mettre en mouvement tous les véhicules du train et vaincre également tous les efforts résistants.

Au décollage, dans un premier temps le train ne bouge pas. Les points de contact "Fil de contact et pantographe" sont fixes.
L'intensité étant très élevé et la vitesse nulle, la température augmente au points de passage du courant. En cas de sollicitation très importante et prolongée, il pourrait y avoir fusion du fil de contact par élévation trop importante de la température.

Pour limiter au maximum les risques au décollage, le conducteur monte (avec certains types d'engins), les deux pantographes pour rajouter des points de contact avec les fils de contact.

Sur une locomotive monocourant continu, type BB8500, équipée de deux pantographes continu, on se retrouve avec trente-deux points de contact différents.

Sur une locomotive bicourant, type BB25500, équipée de deux pantographes, un monophasé et un continu, on se retrouve avec vingt-quatre points de contact différents.
Le pantographe monophasé d'une locomotive bicourant peuvent être équipée d'un archet avec quatre bandes d'usure au lieu de deux pour une locomotive purement monophasé comme la BB17000.

Archet unipalette 25 Kv avec 4 bandes d'usure par archet pour engin bicourant

L'archet

Il est constitué par une armature métallique formant une semelle de fixation des barres d'usure.

Archet

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Les archets sont montés à la partie supérieure du système articulé par des tiges se déplaçant dans des boisseaux à ressorts.
Sur les pantographes à 2 archets, ceux-ci sont montés sur un balancier dont le mouvement de rotation est limités par des ergots.

Archet

Ces dispositions permettent aux archets de :
• Rester en contact malgré les dénivellations provoquées par la flexibilité de la ligne de contact,
• S'incliner légèrement pour que toutes les bandes d'usure portent simultanément.

L'armature peut être évidée entre les bandes d'usure ou, au contraire, être pleine pour constituer un réservoir de graisse et rendre l'ensemble de l'archet conducteur (La graisse venant capter les particules arrachées des barres d'usure).

Archet évidé

Archet remplit de graisse entre les barres d'usure

Les archets sont terminés par des parties arrondies appelées cornes.

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Les cornes

Elles servent à éviter les enchevêtrements du pantographe au-dessus des fils de contact, des traversées et des croisement.
Les cornes permettent un soulèvement progressif du fil de contact pour autoriser le passage des bandes d'usure. Elles peuvent être métallique ou en matière isolante.

Cornes

Un dispositif de positionnement permet aux archets de se présenter correctement sous le fil de contact au moment de la montée du pantographe (bielle de positionnement).

Bielle de positionnement

Le système articulé

Il est constitué par des tubes dont le montage forme des bras.

Le système déformable comprend un bras inférieur et un cadre supérieur triangulaire.

Les mouvements verticaux sont provoqués par la rotation d'un seul arbre de commande sur lequel est calé le bras inférieur.

La rotation de ce bras sollicite le cadre supérieur grâce à une bielle de poussée dont l'extrémité inférieure est articulée sur un point fixe du bâti.

Les articulations sont munies de roulement à billes.

Des tresses souples évitent le passage du courant dans les paliers.

Système articulé

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Le mécanisme de commande

Il se compose :
• De ressorts de montée (ou travail),
• D'un ressort de descente,
• D'un servomoteur,
• D'une bielle à boutonnière.

Les ressorts de montée

Ils sont fixés au bâti et agissent en permanence sur l'arbre de commande pour assurer la montée du pantographe et son développement jusqu'au fil de contact.
L'effort de contact du pantographe sur le fil de contact est indépendant de la hauteur de la caténaire.

Ressorts de montée

Le servomoteur

Le servomoteur contient le ressort de descente du pantographe et agit sur la bielle à boutonnière pour obtenir la descente du pantographe.

Le servomoteur reçoit l'air des réservoirs principaux pour obtenir la montée ou la descente du pantographe.

Servomoteur

Le ressort de descente

Il est logé dans un cylindre (servomoteur) et agit sur l'arbre de commande par l'intermédiaires d'un piston et d'une biellette.
Il est plus puissant que les ressorts de montée et, lorsqu'il est libre d'agir, il provoque l'abaissement du pantographe.

Ressort de descente

Pour obtenir la montée ou la descente du pantographe il suffit donc d'agir sur le ressort de descente (les ressorts de montée agissant en permanence).

Cela est obtenu en libérant ou en neutralisant le ressort de descente logé dans le cylindre à l'aide de l'air comprimé venant des réservoirs principaux (RP).

En courant continu, il est possible de mettre le cylindre du servomoteur sous tension car il est alimenté en air comprimé par un tuyau flexible en caoutchouc suffisamment isolant pour la tension 1500 v.

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FONCTIONNEMENT

Éléments situés sur la toiture

Généralités

La montée ou la descente du pantographe s'obtient en agissant sur le ressort de descente placé à l'intérieur du servomoteur.

C'est en contrariant la force du ressort de descente, à l'aide de la pression des RP (Réservoirs Principaux) que l'on obtient la montée du pantographe. Cette montée est assurée uniquement par les ressorts de montée.

Lorsque l'on libère la force du ressort de descente, en supprimant la pression RP dans le servomoteur, on obtient l'abaissement du pantographe.

Circuit pneumatique de montée du pantographe (simplifié)

Pour réaliser la montée des pantographes il faut alimenter en air le servomoteur, pour combattre la force du ressort de descente qui est placée à l'intérieur de celui-ci.

L'air envoyé dans le servomoteur provient des réservoirs principaux et agit en permanence sur le servomoteur, pour libérer les ressorts de montée en contrariant la force du ressort de descente.

Le circuit pneumatique

Un compresseur principal alimente des réservoirs principaux avec une pression comprise entre 8 et 9 bars.

Le compresseur est commandé de deux manières différentes :
• Soit avec une commande directe, dans ce cas le conducteur doit arrêter le compresseur lui-même,
• Soit avec une commande automatique qui utilise un régulateur de pression qui permet de commander automatiquement le compresseur.

Dans les deux cas les réservoirs principaux se remplissent.

Voir la production d'air

Alimentation des RP par le compresseur principal

L'air des réservoirs principaux est envoyé vers la toiture pour alimenter les servomoteurs des pantographes.

L'alimentation d'un servomoteur est commandée par une électrovalve de pantographe qui permet l'arrivée de l'air au servomoteur pour la montée du pantographe ou la mise à l'atmosphère de l'air contenu dans le servomoteur pour commander la descente du pantographe.

alimentation electrovalves des pantographes

Alimentation des servomoteurs via les électrovalves de commande des pantographes

MONTÉE du PANTOGRAPHE

Au début de la montée

1)
• L'air des réservoirs principaux est admis dans le cylindre et pousse le piston en comprimant le ressort de descente,
• Les biellettes voient leurs efforts s'inverser.

Efforts exercés par le servomoteur

2)
• La bielle à boutonnière cesse de pousser sur le maneton,
• L'effort des ressorts de montée devient prépondérant sur l'effort du ressort de descente (son effort est contrarié par l'air des RP),
• Les ressorts de montée grâce à un maneton solidaire de l'arbre de commande, fait pivoter celui-ci dans le sens des aiguilles d'une montre,
• Le maneton reste au fond de la boutonnière car il suit la bielle à boutonnière qui se dérobe devant lui,
• Le bras inférieur solidaire de l'arbre de commande se lève,
• La montée du bras inférieur fait se développer le pantographe.

Début de montée du pantographe

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En fin de montée

3)
• Sous l'action de l'air des réservoirs principaux, le piston continue de s'écarter jusqu'à sa fin de course,

• Il conserve cette position extrême tant que la pression dans le servomoteur est présente,

• L'effort exercé par le pantographe sur la caténaire est indépendant de la hauteur de la caténaire,

• Pendant cette dernière partie de la montée, le maneton reste dans la position précédente. Il n'est plus en butée au fond de la boutonnière,

• Grâce à la longueur de la boutonnière, elle permet au pantographe de suivre toutes les dénivellations du fil de contact sous l'effet unique des ressorts de montée.

Pantographe levé

DESCENTE et REPOS du PANTOGRAPHE

Descente du pantographe

1)
• Elle est obtenue par la mise à l'atmosphère de l'air contenu dans le servomoteur,

• En l'absence d'air comprimé dans le servomoteur, la force du ressort de descente est libérée et devient prépondérante sur les ressorts de montée,
• Le piston est repoussé et se déplace vers la droite.

Piston dans le servomoteur

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2)
• Le piston en se déplaçant vers la droite entraîne des biellettes solidaire du piston.

3)
• Un mécanisme muni d'un point fixe inverse l'effort des biellettes et permet d'obtenir une poussée sur la bielle à boutonnière.

Efforts exercés par le servomoteur

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4)
• La bielle à boutonnière se déplace vers la gauche et la boutonnière vient en contact avec un maneton solidaire d'un arbre de commande,
• La bielle à boutonnière continue son déplacement sur la gauche et vient exercer un grand effort sur le maneton qui fait pivoter l'arbre de commande dans le sens inverse des aiguilles d'une montre,
• Le bras inférieur du système articulé solidaire de l'arbre de commande s'abaisse, ce qui entraîne la descente complète du pantographe.

Début de descente du pantographe

5)
• Le ressort de descente continu de se déplacer dans le servomoteur,
• La bielle à boutonnière continue d'exercer une pression sur le maneton solidaire de l'arbre de commande,
• Le bras inférieur du pantographe, solidaire lui aussi de l'arbre de commande, s'abaisse,
• Le pantographe descend.

debut d'appui sur le maneton de la boutonniere

Action du ressort de descente

Début d'appui sur le maneton de la boutonnière

Le pantographe descend

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• Au repos, le maneton est en butée au fond de la boutonnière et le pantographe ne peut pas se développer malgré l'action permanente des ressorts de montée.

Repos du pantographe

Pantographe au repos

PARTICULARITÉ

• Dans certain cas, le servomoteur occupe une place différente sur la toiture de l'engin moteur,
• Dans ce cas le mécanisme du servomoteur ne possède pas de point fixe et l'effort se fait directement sur la bielle à boutonnière.

bielle a boutonniere avec fonctionnement inverse

Bielle à boutonnière avec fonctionnement inverse

• Quand la bielle pousse : le pantographe monte, (photo du dessus),
• Quand la bielle tire : Le pantographe descend et prend ensuite sa position de repos,
• Le reste du fonctionnement reste inchangé.

• A noter que dans ce type de fonctionnement si le bout de la bielle à boutonnière venait à se casser, la descente du pantographe serait impossible.

La bielle pousse : Le panto monte

La bielle tire : Le panto descend

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VITESSE de MONTÉE et de DESCENTE du PANTOGRAPHE

Pour assurer la montée du pantographe, il faut alimenter le servomoteur pour déverrouiller la bielle à boutonnière.

Cela est réalisé en plaçant ZPT (interrupteur pantographe) sur :
• "AR" pour une locomotive monocourant,
• "N" pour une locomotive bicourant.

Serrure pantographe locomotive monocourant

Serrure pantographe locomotive bicourant

En manoeuvrant ZPT (interrupteur pantographe), l'électrovalve du pantographe sélectionnée va permettre d'alimenter le servomoteur par l'air des Réservoirs Principaux et comprimer le ressort de descente.
La bielle à boutonnière est ainsi libérée, et par l'action des ressorts de montée le pantographe monte.

En plaçant ZPT (interrupteur pantographe) sur "0" le conducteur désexcite l'électrovalve du pantographe il se produit :
• L'alimentation du servomoteur par l'air des Réservoirs Principaux est interrompue,
• L'air contenu dans le servomoteur est envoyé à l'atmosphère,
• Le ressort de descente redevient prépondérant sur les ressorts de montée, le pantographe descend.

Si l'on agissait ainsi :
A la montée :
• L'air parviendrait directement au servomoteur, le pantographe monterait rapidement et heurterait violemment la caténaire en risquant de la décrocher ou de la rompre.

A la descente :
• Si l'air du cylindre de commande s'échappait directement à l'atmosphère lors de la descente, le pantographe se poserait brusquement sur son support et risquerait de s'y déformer car sa structure est relativement légère et pourrait également endommager les isolateurs de toiture.

Pour pallier ces inconvénients il faut insérer, entre l'air des Réservoirs Principaux et le servomoteur :
• Soit un clapet à bille,
• Soit une boite à clapet.

Ces deux dispositifs vont permettrent d'agir sur la vitesse de fonctionnement des pantographes.

Les temps de montée et de descente des pantographes sont réglés pour obtenir :
Montée du pantographe :
• 1er temps : Une vitesse rapide permettant un décollage rapide de la toiture,
• 2ième temps : Une vitesse lente en fin de montée afin que l’archet vienne, sans à-coup, en contact avec la caténaire,

• Le temps de montée d'un pantographe est compris entre 5 et 7 secondes selon la série d'engin moteur.

Descente du pantographe :
• 1er temps : Une vitesse rapide permettant un décollage rapide de l’archet de la caténaire pour prévenir la formation d'un arc électrique ,
• 2ième temps : Une vitesse lente en fin de descente pour éviter un choc en fin de course lors de la mise au repos du pantographe.

• Le temps de descente est d'environ 5 secondes.

Pour réaliser ces deux vitesses l’appareillage utilisé comprend, suivant les séries de locomotives :
• Soit un clapet à bille monté sur le circuit d’alimentation en air du pantographe,
• Soit une boite à clapet montée sur l’électrovalve du pantographe.

Clapet à bille

Montée du pantographe

L’air comprimé des réservoirs principaux est distribué par l’électrovalve du pantographe et traverse le clapet à bille :
• Temps 1, vitesse rapide : Le temps que la bille se déplace vers le haut, l'air alimente le servomoteur par les deux passages, en grand débit.
• Temps 2, vitesse lente : Lorsque la bille c'est déplacée vers le haut, elle obstrue un des deux passages de l'air, la section de l'orifice du passage d'air est réduite, le pantographe monte plus doucement.

• Le pantographe monte lentement (5 à 7 secondes).

Montée du pantographe

Descente du pantographe

L’air comprimé est évacué par l’électrovalve du pantographe et traverse le clapet à bille :
• Temps 1, vitesse rapide : Le temps que la bille se déplace vers le bas, l'air du servomoteur par les deux passages, en grand débit,
• Temps 2, vitesse lente : Lorsque la bille c'est déplacée vers le bas, elle obstrue un des trois passages de l'air, la section de l'orifice du passage d'air se réduit à deux orifices calibrés, le pantographe descend plus doucement.

• Le temps de descente est d'environ 5 secondes.

Descente du pantographe

Montée du pantographe

Boîte à clapet

Lorsque l’électrovalve du pantographe est excitée, l’air comprimé pénètre :
• Dans la chambre A de la boîte à clapet. Le clapet obture la communication du servomoteur du pantographe avec l’atmosphère,
• Progressivement dans le cylindre du pantographe par un orifice réglé par une vis pointeau, ce qui permet la montée lente du pantographe.

Montée pantographe

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Descente du pantographe

Lorsque VEPT est désexcitée, la chambre A de la boîte à clapet est mise à l’atmosphère par l’électrovalve, ce qui provoque le décollement du clapet.

Temps 1, vitesse rapide : Le cylindre du pantographe est alors mis directement à l’atmosphère, ce qui entraîne une descente rapide du pantographe.

Temps 2 , vitesse lente : Lorsque la pression de l’air dans le servomoteur du pantographe s’est abaissée, le clapet se referme et l’air s’évacue par l’orifice réglé par la vis pointeau.

La descente rapide du pantographe est amortie en fin de course.

descente du pantographe avec clapet temps 2

Descente pantographe temps 1

Descente pantographe temps 2

PANTOGRAPHE à UTILISER

Locomotive monocourant

• La circulation s'effectue avec le pantographe ARRIÈRE en service.
• Lorsque le véhicule placé immédiatement derrière la locomotive transporte des véhicules automobiles ou des engins routiers, le conducteur utilise le pantographe AVANT pour ne pas endommager les véhicules par des projections de graisse ou de métal en fusion.

Locomotive polycourant

• Le conducteur utilise le pantographe NORMAL, c'est à dire le pantographe spécialisé à la tension d'alimentation de la caténaire, même si le véhicule placé immédiatement derrière la locomotive transporte des véhicules automobiles ou des engins routiers.

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L'exploitation ferroviaire

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