Alimentation des locomotives avec une tension hachée

Bonjour SavignyExpress

La réponse est juste en dessous dans le même article, équations 1, 2 et 3

Merci Jlb, après relecture attentive de l'exemple, cela me paraît plus évident !

Bonjour à tous,

En pleine réflexion sur les alimentations traction de mon prochain réseau, je reviens sur ce fil de discussion pour aborder un autre type d'alimentation pulsée.

On trouve sur plusieurs sites de modélistes ferroviaires allemands des montages d'alimentation traction qui superposent l'ondulation du 50 Hz, éventuellement 100 Hz avec un redressement double alternances,  à une tension continue. Le but est toujours le même, améliorer le fonctionnement à basse vitesse. À plus grande vitesse, l'ondulation disparaît. Certains montages conservent l'ondulation à tous les niveaux de tension.

Je me pose les questions suivantes:

• Le fait que le signal ne soit plus carré mais sinusoïde réduit-il les pertes par effet Joule dans le moteur ? À voir en repartant des équations présentées par Jlb sur son site.
  
• Il me semble que les transfos train analogiques traditionnels produisent en sortie une sinusoïde redressée mais non lissée, donc de caractéristiques proches. Comment réagissent les moteurs récents qui n'apprécient pas le PWM ?
  

Voici quelques exemples:

• http://www.michael-twiste.de/eisenbahn/fahrtregler1.html
  
• http://muth-stelle.jimdo.com/modellbau/modelleisenbahn/
  
• http://www.bernd-koe.de/technik/elektronik/einfach-fahrregler/index.php
  

Bel été à tous !

Pour ne pas perturber le débat technique, mais n'ayant pas le niveau suffisant pour comprendre, j'ai juste une question idiote à poser; pour les ignares comme moi, quelles machines ne pas faire fonctionner avec quelles alimentations autres que les vieux transfos Jouef ?
Bien sur, pas question de faire une base de données modèles par modèles, mais au moins nous signaler les contre-indications les plus "dommageables" (les 67300 minitrix à leurs débuts avaient suscitées quelques déboires techniques... avec certaines alimentations)

Les rotor sans fer n'aiment pas les courants haché (doux euphémisme ) et les charbons de tous les moteurs non plus
Tu as suffisamment été présent sur les stands AFAN au mondial ou l'ancienne alimentation avec éclairage permanent de Dédé a fait des ravages sur les locos , les siennes comme celle des autres et pourtant c’était des alim faites par un professionnel ,geniale pour le 0 , limite pour le HO et très dangereuse pour le N

RE 460 a écrit:

Les rotor sans fer n'aiment pas les courants haché (doux euphémisme ) et les charbons de tous les moteurs non plus

tu pourrais préciser concernant les charbons ?

j'ai effectivement remarqué que quelques locos avec moteur à charbons , plutôt anciennes , ont un fonctionnement irrégulier avec le courant pulsé (driving railways ) : vitesse difficile à stabiliser , tantôt trop rapide , tantôt trop lente à tension égale , alors que le fonctionnement parait plus constant avec un vieux transfo classique ....sans que j'ai pu attribuer ce phénomène à une cause certaine !

SavignyExpress a écrit:

...Il me semble que les transfos train analogiques traditionnels produisent en sortie une sinusoïde redressée mais non lissée, donc de caractéristiques proches. Comment réagissent les moteurs récents qui n'apprécient pas le PWM ? ...

Bonjour SavignyExpress
Pour un courant sinusoïdal redressé 2 alternances, la valeur moyenne et la valeur efficace sont très proches :
si Umax est la valeur crête de la tension
Valeur moyenne = 2* Umax/Pi, donc environ Umax/1,5
Valeur efficace   = Umax/racine de 2, donc environ Umax/1,4

L'énergie mécanique dépendant de la première valeur et l'énergie thermique de la 2°, le rendement du moteur est alors très proche de celui obtenu avec une tension continue "lisse".
De plus, il n'y a pas de front raides générant des transitoires et des harmoniques de fréquences élevées.
C'est pourquoi il n'y a pas de problème avec les vieux transfos type Jouef ou autres.

Je ne suis pas assez costaud en électricité pour te donner la raison mais j'ai fais rouler tellement de train que j'ai l’expérience des conséquences des différentes alim avec pour certaines des résultats onéreux en charbons et parfois en moteurs
Maintenant il est certain que avec les bonnes valeur de crêtes ,cela améliore , mais elles changent selon les moteurs donc retour a la case départ avec chaque marque et genre de moteur

cisalpin a écrit:

j'ai effectivement remarqué que quelques locos avec moteur à charbons , plutôt anciennes , ont un fonctionnement irrégulier avec le courant pulsé (driving railways ) : vitesse difficile à stabiliser , tantôt trop rapide , tantôt trop lente à tension égale , alors que le fonctionnement parait plus constant avec un vieux transfo classique ....sans que j'ai pu attribuer ce phénomène à une cause certaine !

Attention, la vitesse non constante sous DR est plutôt un bug du soft, lors du passage d'une zone à l'autre.
J'ai quelques vielles locos aussi, et avec la toute dernière version, la vitesse reste bien constante sans saut visible. Pas contre, pas assez de recul (et pour cause!!!) pour juger de l'impact sur les charbons...

michel.b01 a écrit:

Attention, la vitesse non constante sous DR est plutôt un bug du soft, lors du passage d'une zone à l'autre.
J'ai quelques vielles locos aussi, et avec la toute dernière version, la vitesse reste bien constante sans saut visible. Pas contre, pas assez de recul (et pour cause!!!) pour juger de l'impact sur les charbons...

Bonjour

effectivement, la synchro des cartes MOCAN est réalisée via la ligne de communication série, ce qui peut générer des désynchronisation des cartes d'où un ralentissement ou accélération lorsqu'un train est sur deux zones.

Pour ce qui est du courant haché, je ne reviendrait pas sur les démonstrations que JLB a publiées sur son site.
De mon expérience, j'ai constaté que le fonctionnement des moteurs et les perturbations électromagnétiques engendrées dépendent, notamment, du type de transistor.
Avec des MOSFET, la commutation est très rapide, ce qui pourrait sembler parfait ou presque ; cependant, il existe, avec des câbles de grande longueur (12m), des perturbations électromagnétiques importantes.
Avec des transistors bipolaires, la commutation est bien moins rapide, le transistor peut chauffer (légèrement) mais plus de perturbations et la vibration des moteurs à l'arrêt est considérablement réduite.

Comme quoi, le mieux n'est pas toujours l'ami du bien.

merci pour vos retours ;
concernant DR , il existe effectivement des modifications de vitesse parfois , lors du passage d'un canton à un autre , ou lors du passage sur une ZA (avec accélération paradoxale ) ;
j'observe ce phénoméne avec ma version actuelle 2.54 a , c'est un tout petit peu gênant mais pas rédhibitoire ;( J'utilise des modules 'ancienne génération' MOCAN )
nb : Michel , à partir de quelle version ce bug disparait ?

ceci dit , il existe d'autres phénomènes de vitesse non constante avec certaines locos plutôt anciennes ; un train va rouler à bonne vitesse pendant plusieurs tours , puis va aller trop vite , ou trop lentement ; je suspecte , sans réelle preuve , une sensibilité du moteur au courant pulsé , car cela semble beaucoup moins flagrant avec une alim classique ;

je pense que ca a disparu avec la version suivante 2.55...

Par contre, je n'ai jamais observé l'autre phénomène que tu décris, mais je n'ai joué qu'en pilotage manuel...
Ca peut toujours être un bug du soft sur la gestion des vitesses...

Bonjour à tous,

Souhaitant reprendre la gestion de ma ligne à crémaillère de mon 1er réseau N, je me suis replongé dans les 4 articles Tension hâchée et pertes joules.

Le mode PFM Pulse Frequency Modulation serait intéressant à faible vitesse car le moteur recevrait des impulsions de durée constante plus ou moins espacées.

En y réfléchissant, c'est un cas particulier de conduction discontinue. En changeant la durée de l'impulsion et le duty cycle, cela a un impact sur la fréquence alors qu'en PWM la fréquence reste fixe. Donc il n'est pas nécessaire de reprendre le développement des formules.

Par exemple:

Impulsion de 2 ms, duty cycle 33%
Pour 33%, une impulsion de 2 ms, suivie de 4 ms, donc une période de 6 ms.
Cela correspond à une fréquence de 1 / 6e-3 = 167 Hz. En comparant avec le tableau présenté dans http://modelleisenbahn.triskell.org/spip.php?article45, on peut en déduire un ordre de grandeur similaire pour le courant et la puissance dissipée. Il faudrait refaire le calcul détaillé pour la loco N prise comme exemple.

Impulsion de 1 ms, duty cycle 33%
Pour 33%, une impulsion de 1 ms, suivie de 2 ms, donc une période de 3 ms.
Cela correspond à une fréquence de 1 / 3e-3 = 333 Hz. On devrait être plus favorable que dans le premier cas, mais l'impulsion de 1 ms n'est peut-être pas suffisante pour faire bouger le moteur.

Il me semble donc que la PFM, à l'instar des basses fréquence PWM, risque de faire chauffer le moteur et n'est donc pas appropriée.

Le couple généré par un moteur à courant continu est quasi proportionnel à la valeur moyenne du courant qui le traverse, tandis que son échauffement dépend de la valeur efficace de ce courant.
En continu lisse, la valeur moyenne est égale à la valeur efficace. Toutes les autres formes de courant engendrent une valeur efficace supérieure à la valeur moyenne, donc diminuent le rendement (ratio [énergie mécanique] / [énergie mécanique + thermique]) du moteur.

En soi, ce n'est pas grave si l'écart entre valeur moyenne et valeur efficace n'est pas très important (cas du sinusoïdal redressé sans filtrage). Ce n'est pas grave non plus si on a un écart important pendant un court instant (phase de démarrage, par exemple), mais pour nos petits moteurs en N qui ont une toute petite taille et donc une faible capacité de dissipation, rouler à une vitesse stabilisée obtenue par un courant dont l'écart entre valeur efficace et valeur moyenne est fort fera chauffer et vieillir le moteur prématurément (*).

Sans chercher à calculer exactement pour chaque durée d'impulsion et chaque rapport cyclique quelles sont les valeurs moyennes et efficaces (intégrales incontournables), il y a une approche qui permet de se faire une idée :
Le théorème de Fourier montre que tout signal périodique, quelque soit sa forme, peut s'obtenir par une valeur continue lisse (sa valeur moyenne) + une suite infinie de valeurs sinusoïdales dont les fréquences respectives sont des multiples de la fréquence du signal d'origine (pour ceux qui ne connaissent pas ce théorème, j'ajoute que la grandeur sinusoïdale de même fréquence que le signal d'origine, ou multiple x1, s'appelle la fondamentale, les autres grandeurs de fréquence 2f, 3f, 4f, etc, sont les harmoniques).

Clairement, comme toute sinusoïde, la fondamentale et les harmoniques ont une valeur moyenne nulle et une valeur efficace non nulle, elles contribuent donc à l'échauffement mais pas au travail mécanique du moteur et dégradent chacune le rendement du moteur. Autrement dit, plus un signal est de forme complexe avec des fronts raides, plus il y aura de sinusoïdes d'amplitude importante dans sa décomposition en série de Fourier, plus le rendement du moteur sera mauvais.

(*) c'est la raison pour laquelle j'ai toujours considéré que réduire drastiquement la vitesse d'une loco qui roule trop vite en jouant sur le CV qui va bien en digital n'est pas une aussi bonne solution que jouer (lorsque c'est possible) sur les rapports d'engrenage de la pignonnerie, ou de remplacer le moteur par un qui tourne moins vite sous 12V.

Merci beaucoup Dmarrion pour tes explications très détaillées.

L'approche par les séries de Fourier donne une bonne indication de ce qui se passe.

RaynalN a écrit:

Pour ne pas perturber le débat technique, mais n'ayant pas le niveau suffisant pour comprendre, j'ai juste une question idiote à poser; pour les ignares comme moi, quelles machines ne pas faire fonctionner avec quelles alimentations autres que les vieux transfos Jouef ?
Bien sur, pas question de faire une base de données modèles par modèles, mais au moins nous signaler les contre-indications les plus "dommageables" (les 67300 minitrix à leurs débuts avaient suscitées quelques déboires techniques... avec certaines alimentations)

4 ans après, à quelques jours près, où en sommes-nous des marques et modèles de locos à éviter en fonction des marques et des modèles d'alimentations disponibles??? C'est juste histoire de renseigner les "ignares" que représentent une grande majorité des adeptes du N qui ne sont pas tous "ingénieurs en électronique"?

RV dans 4 ans de plus ?

RaynalN a écrit:

(...)
4 ans après, à quelques jours près, où en sommes-nous des marques et modèles de locos à éviter en fonction des marques et des modèles d'alimentations disponibles??? C'est juste histoire de renseigner les  "ignares" que représentent une grande majorité des adeptes du N qui ne sont pas tous "ingénieurs en électronique"?

RV dans 4 ans de plus ?

Je vois bien l'intérêt de ta question, mais je ne peux pas y répondre.
En effet, dans tout ce que tu as pu lire plu haut il n'est pas question de marques et de modèles, mais simplement d'essayer de comprendre comment réagit un moteur à courant continu traditionnel lorsqu'il est soumis à une tension hachée.

Pour aller plus loin et faire une sorte de guide pratique des associations "alimentation + loco", il faudrait faire des mesures de fréquence de hachage (s'il y a lieu), de tension efficace et tension moyenne sur toutes les alims du commerce, et faire un bilan des possibilités de dissipation thermique des moteurs de toutes les locos du commerce.
Je ne pense pas que beaucoup de monde dispose à la fois de l'ensemble des matériels à tester, des appareils de mesure nécessaires, et des compétences pour interpréter les mesures.

Si quelqu'un entreprend un jour de faire ce genre de guide pratique, il devra probablement travailler avec un collectif de personnes ayant du matériel et de l'expérience.

Merci pour ta réponse.
Vaste problème.