A.M.F.N.
Association des Modélistes Ferroviaires de Nice

Alimentations traction

Alimentations traction rhéostatiques
Elles comprennent d'une source de tension fixe (par exemple un transfo et un pont redresseur) et une résistance variable (rhéostat) en série. (Pour la petite histoire, rappelons que les vrais trains électriques ont pendant très longtemps été alimentés de cette façon...)
Avantages: la simplicité: comme le réglage de la vitesse est indépendant de la polarité, on peut insérer les régulateurs à peu près n'importe où dans le câblage du réseau.
Dans l'exemple ci-contre, chaque zone du réseau est alimentée par un régulateur qui contrôle la vitesse et le sens de circulation dans la zone. 

Chaque régulateur comprend un inverseur simple et un rhéostat. 

Ce schéma est utilisé sur notre réseau HO pour assurer la reprise en manuel d'un train en détresse sur le circuit principal (normalement sous contrôle du bloc-système). On peut ainsi obliger le train à reculer ou à brûler un signal fermé. 

On appréciera l'économie de moyens permise par l'alimentation rhéostatique. 

ATTENTION: pour simplifier, ce schéma ne comporte pas de protection (fusibles, disjoncteurs, etc). En pratique, ces protections SONT NECESSAIRES et doivent être mises en oeuvres conformément aux règles de l'art. Voir notre page "sécurité électrique".

Inconvénients: les caractéristiques traction de l'engin moteur sont notablement dégradées: celui-ci montre une forte tendance à caler dans les côtes et à s'emballer dans les descentes. De plus, le résultat obtenu change considérablement d'une machine à une autre.
Pour cette raison, l'alimentation rhéostatique n'est acceptable que dans le contexte d'une exploitation entièrement manuelle.
Par ailleurs, étant donnée la puissance que ce composant peut être amené à dissiper, il faut utiliser des rhéostats de fort calibre: ci-contre, rhéostats 50 ohms, 1,25 A, bobinés sur céramique. 

De tels rhéostats coûtent assez cher: il faut les rechercher dans les magasins de surplus ou d'occasions.

Alimentations traction à tension réglable
Ces alimentations ont l'avantage sur les précédentes de conserver aux moteurs leurs caractéristiques de traction intrinsèques. Elles peuvent être de plusieurs type:

Alimentations à transformateur variable:
C'est à cette famille qu'appartiennent la plupart des transformateurs "classiques" (c'est-à-dire non électroniques) du commerce. 

Le schéma en est simple dans le principe, mais en pratique le changement de sens est souvent combiné avec le réglage de la vitesse, ce qui complique un peu les choses.

Ces alimentations nécessitent un transformateur variable, assez difficile à trouver, ce qui en rend la réalisation peu facile pour des amateurs. Cependant voici un montage qu'il nous a été donné de réaliser pour du LGB (et qui convient également pour du O):
Les autotransformateurs variables sont bien plus faciles à trouver que les transformateurs variables, et ne sont pas très coûteux. Un tel appareil, suivi d'un transformateur abaisseur classique, permet de réaliser très simplement une source de tension variable de puissance importante. Seul inconvénient: l'encombrement et le poids de l'autotransfo. 

ATTENTION: pour simplifier, ce schéma ne comporte pas de protection (fusibles, disjoncteurs, etc). En pratique, ces protections SONT NECESSAIRES et doivent être mises en oeuvres conformément aux règles de l'art. Voir notre page "sécurité électrique".

Alimentations à réglage électronique:
Il en existe de toutes sortes dans le commerce. A l'Association, nous utilisons des régulateurs très simples décrits sur notre page: "Electrification d'un réseau de club".

Alimentations traction à découpage simple
Ces alimentations sont plus faciles à réaliser que les alimentations à tension variable, car elles ont moins de puissance à dissiper. De plus, elles facilitent notablement les démarrages. Par contre, un peu comme les alimentations rhéostatiques, elles dégradent les caractéristiques traction des moteurs, en augmentant leur propension à caler sous l'effort, ou à s'emballer lorsque celui-ci diminue.

Principe d'une alimentation à découpage à partir de l'alternatif:
Le courant alternatif est redressé double alternance, mais non lissé, puis découpé par un transistor ou un thyristor. 

On fait varier la vitesse en laissant passer une partie  plus ou moins grande de l'alternance. 

Le diagramme ci-contre montre la forme de la tension pour différents réglages. 

Le principal intérêt de ce système est que le composant de puissance (transistor ou thyristor) fonctionne en tout-ou-rien, et ne dissipe donc qu'une puissance négligeable. On peut dans la plupart des cas se passer de radiateur, et le montage peut être miniaturisé.

Principe d'une alimentation à découpage à partir du continu:
Ici la tension alternative est redressée est lissée pour obtenir du continu. Puis on découpe cette tension au moyen d'un transistor de puissance. 

Contrairement au cas précédent, le découpage n'a pas a être synchronisé sur l'alternatif: on peut donc travailler à la fréquence optimum. Par contre le transistor de puissance dissipe inévitablement une puissance non négligeable. 

Différentes variantes sont possibles. On a représenté ci-contre un découpage à fréquence constante et rapport cyclique variable, parfois appelé "MLI" (Modulation de la Largeur d'Impulsion) ou "PWM" (Pulse Width Modulation). 
 

Nous avons réalisé à l'Association nombre d'alimentations à découpage, mais elles nous semblent tellement surpassées par les alimentations à asservissement de vitesse (ci-après) que nous n'en publierons aucun schéma.

Alimentations à asservissement de vitesse
Les alimentations à asservissement de vitesse mesurent la vitesse réelle de rotation du moteur et s'efforcent de la maintenir constante, en dépit des variations erratiques:

  1. de la charge mécanique: montées, descentes, courbes, points durs,
  2. du circuit électrique: position de la loco sur le réseau, mauvaise prise de courant, cantons alimentés par des fils de longueur variables, circuits d'alimentation doublés lorsque la loco est à cheval sur une coupure de voie, etc.
Parmi les différents systèmes imaginables, il en est un qui nous donne entièrement satisfaction depuis des années: l'asservissement par mesure de la force contre-électromotrice (FCEM).

Principe de l'asservissement par mesure de la FCEM:
Un moteur électrique qui tourne sur l'erre fonctionne en génératrice, et génère une tension qui ne dépend que de sa vitesse à cet instant (ainsi, bien sûr, que de ses caractéristiques de construction: plus il est de bonne qualité, et plus cette tension est élevée).
En partant d'une alimentation à découpage telle qu'exposée plus haut, on profite de l'interruption du courant traction pour mesurer la tension générée par le moteur, donc sa vitesse, et corriger celle-ci en fonction de la vitesse recherchée.
 
La période comprend une phase de traction (en rouge), pendant laquelle le moteur est alimenté, et une phase de marche sur l'erre (en vert) pendant laquelle le circuit est ouvert. 
Si l'on observe à l'oscilloscope la tension sur les rails, on constate que pendant la phase de marche sur l'erre, une tension résiduelle apparaît. Comme il ne circule pas de courant à ce moment là, cette tension ne dépend que de la vitesse de rotation du moteur.

Exemple de réalisation:

Commentaires sur ce schéma:
La tension alternative (16V) en provenance du transformateur (non représenté) est redressée double alternance, puis utilisée telle qu'elle pour la traction.
Le circuit d'asservissement est composé de T1 et de C1: à chaque demi alternance, C1 est rapidement déchargé par le 339#3, puis chargé à travers T1 avec un courant proportionnel à la différence entre la vitesse de consigne (donnée par la position du potentiomètre P1) et la vitesse réelle (tension sur la base de T1). Lorsque la tension de C1 atteint 3,33V, le 555 bascule et déclenche le passage du courant traction dans T3/T4.
L'ajustable P3 sert à régler le zéro de façon à ce que les moteurs ne vibrent pas quand P1 est à zéro, mais se mettent à tourner dès que  P1 décolle du zéro
Le reste du montage constitue un disjoncteur: la tension est mesurée aux bornes de 4 résistances de 3,9 ohms, 1/4 watt, en parallèle. Lorsqu'elle atteint 0,6V ou plus (selon réglage de l'ajustable P3) T2 devient conducteur et fait basculer les 339 #1 et #2, qui bloquent le 555, maintenant ainsi le courant traction coupé.
La photo ci-dessous montre la réalisation pratique (ici avec des borniers de récupération). Le circuit imprimé mesure 5 cm x 10 cm, et est disponible en téléchargement sur ce site à la page téléchargement.
La photo ci-contre montre la même alimentation logée dans un boîtier à main
de 10x6x2,5 cm.

On voit le bouton du potentiomètre, la LED du disjoncteur, et l'inverseur de sens de marche.

La prise DIN sert à se connecter au réseau: 2 fils pour l'alternatif (en provenance de la sortie "accessoires" d'un transfo pour trains), et 2 fils vers la voie.

Certains de nos membres ont mis au point des alimentations plus évoluées, dont par exemple les différentes caractéristiques sont programmables en fonction de celles du moteur de la locomotive: niveau du continu, niveau de la FCEM, gain de la boucle d'asservissement, etc. Leur description sort du cadre de ces pages, mais n'hésitez pas à nous contacter si vous désirez en discuter.

Note sur les moteurs à rotor sans fer (RSF):

Avec une alimentation à asservissement de vitesse, et pour un même réglage du potentiomètre, les moteurs RSF tournent moins vite que les autres. Ceci est parfaitement normal, et dû au fait que ces moteurs ont un excellent rendement, et donc une FCEM plus élevée que les moteurs classiques.

Certaines alimentations ont aussi la réputation d'endommager les moteurs RSF. Nous ne prendrons pas la responsabilité d'infirmer ou de confirmer cette rumeur. Mais nous avons utilisé l'alimentation ci-dessus pendant plusieurs dizaines d'heures avec des moteurs RSF (autorails Mougel première génération) sans constater de dommage.

De toutes façons, il faut noter que ce n'est pas le principe de l'asservissement qui peut être tenu pour responsable de la chose, mais celui du pulsé. La forme d'onde appliquée au moteur est très importante, et celui-ci ne réagit pas de la même façon à une tension rectangulaire, sinusoïdale, ou autre. Le condensateur de 10uF en sortie de l'alim joue à ce titre un rôle important, de même que la self insérée en série avec le moteur en cas d'éclairage HF. Voir notre page sur le sujet.

Un autre facteur très important est le comportement de l'alimentation pendant la phase de marche sur l'erre: certains montages (comme le notre) présentent un circuit ouvert, alors que d'autres, qui ont un étage de sortie en "push-pull" imposent une tension 0. Dans ce dernier cas, le moteur subit alors une surintensité importante (court-circuit de la FCEM) ainsi qu'un coup de frein énergique, qui, répétés 100 fois par seconde, peuvent finir par l'endommager.
La présence sur la rame tractée d'un éclairage un peu conséquent produit le même effet, les lampes constituant pour le moteur une charge non négligeable.


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