Les désordres causés par les moteurs des locomotives.
Qui n’a jamais vu les étincelles qui apparaissent aux roues de nos locomotives. Ces étincelles sont la manifestation d’un parasitage de l’alimentation par les moteurs des locomotives.
En fait la cause réelle de ces étincelles qui sont en réalité des arcs électriques, se situe au niveau des défauts de contact, généralement entre les roues capteuses et la voie, pour la prise de courant.
Ces arcs électriques sont simplement la réaction d’un circuit inductif à la coupure du circuit d’alimentation.
Pourquoi le circuit est-il inductif ? En premier lieu le moteur, plus précisément l’induit du moteur est un bobinage électrique sur un noyau magnétique, donc une self. En second lieu, le transformateur qui se trouve dans l’alimentation est lui aussi une self.
Revenons brièvement sur les caractéristiques d’une self. Il faut savoir qu’une self réagit aux variations brusques d’intensité, or un mauvais contact correspond au passage brutal du courant qui traverse la self à une valeur nulle. A ce moment la self qui, il faut toujours le garder à l’esprit, stocke l’énergie qui lui a été fournie par l’alimentation sous forme magnétique, tente de conserver au courant sa valeur avant l’interruption en augmentant la tension en puisant dans l’énergie stockée. Cette tension sera limitée par l’énergie stockée dans le circuit magnétique, mais elle peut néanmoins atteindre plusieurs centaines, voire milliers de volts.
Voilà pour l’explication des étincelles, voyons en maintenant les effets.
L’énergie électrique peut avoir des effets magnétiques, thermiques et chimiques. Ceci se traduit au niveau des mauvais contacts par des échauffements très ponctuels à des valeurs très élevées, des phénomènes électrostatiques qui attirent et agglomèrent les poussières et même des phénomènes d’électrolyse en fonction des substances qui se trouvent à proximité de ces arcs électriques.
En conséquence, on constate très rapidement la formation de dépôts de saleté sur les roues ainsi qu’un changement de couleur du métal caractéristique d’une oxydation qui perturbent rapidement les contacts rail / roue, qui augmentent le nombre d’arcs électriques et qui accélèrent le phénomène d’encrassement.
Bref si nous voulons continuer à nous amuser au lieu de passer notre temps à nettoyer en permanence les roues et les rails nous devons absolument installer un dispositif d’antiparasitage des moteurs.
Dans les faits il existe une autre cause d’interruption du circuit électrique, c’est le collecteur du moteur qui en passant d’un pôle au suivant, interrompt le circuit électrique plusieurs milliers de fois par minute. Ceci explique la ceinture d’arc électrique autour du collecteur. Nous avons tout intérêt à réduire ces arcs électriques pour prolonger la durée de vie du moteur.
Ces arcs électriques sont de l’énergie que nous pouvons, soit stocker, soit dissiper sous forme de chaleur.
Les moyens d’antiparasitage des moteurs.
Il existe deux composants qui emmagasinent l’énergie : la self que nous avons déjà vue et le condensateur. Le condensateur réagit aux variations brutales de tension et se comporte comme un court circuit pour cette variation.
C’est exactement ce qu’il nous faut pour absorber l’énergie restituée brutalement par la self du moteur en branchant un condensateur aux bornes du moteur.
Cependant, comme le condensateur stocke l’énergie, il va bien devoir la restituer d’une façon ou d’une autre. Normalement cette énergie va simplement être ajoutée à l’alimentation du moteur et les choses devraient rentrer dans l’ordre.
Rien n’étant parfait en ce monde, la pratique est souvent plus complexe que la théorie et quiconque a déjà observé un condensateur associé à une self a vu que c’est un circuit potentiellement instable qui peut se mettre en oscillation, donc produire des variations de tension non voulues. Que voulez vous, associer deux réservoirs d’énergie gonflés à bloc, il ne faut pas s’attendre à ce que les choses se passent bien.
Le Roulnet
Heureusement dans les années 70 a été inventé et breveté un circuit d’antiparasitage qui a donné des résultats très satisfaisants et qui a fait ses preuves. C’est le “Roulnet”.
Il s’agit simplement de deux condensateurs montés tête bêche, chaque condensateur étant branché en parallèle avec une diode, cathode sur l’armature positive du condensateur, anode sur l’armature négative.
Sans remettre en question l’efficacité de ce montage, il n’en demeure pas moins que nous pourrions aussi dissiper cette énergie sous forme de chaleur.
La diode TVS
Pour ce faire, il existe maintenant un composant qui se nomme une diode “transil” (ou TVS pour Transcient Voltage Suppressor en anglais) qui lorsque la tension à ses bornes dépasse une certaine valeur, se comporte comme un court circuit et dissipe l’énergie sous forme de chaleur. Pour nous simplifier la vie, cette diode se comporte de la même manière, qu’elle soit alimentée dans un sens ou dans l’autre.
Pour une machine déjà équipée d’un Roulnet, il est tout à fait possible d’ajouter une diode TVS branchée en parallèle comme illustré dans le schéma ci-dessus. Il faut tout de même noter que les améliorations apportées par la combinaison TVS et Roulnet seraient minimes. Le montage d’un seul des dispositifs est largement suffisant.
La varistance
Ces moteurs ne doivent donc pas être alimentés avec une tension supérieure à celle de la varistance qui non seulement protège le moteur des parasites mais en plus le protège contre les surtensions.
L’antiparasitages des moteurs en pratique.
Les composants pour l’antiparasitage (Roulnet, diode TVS ou varistance) sont de petite taille et peuvent se loger facilement dans toute locomotive.
Pour les petites échelles les composants classiques peuvent être remplacés par des composants montés en surface (CMS ou SMD en anglais).
Voici les composants “classiques”.
Condensateur 47µF 25V
Pour faciliter l’installation de ces composants, nous allons une fois de plus nous tourner vers les composants montés en surface (CMS) qui bénéficient d’une miniaturisation extrême.
Condensateur 47µF 25V au tantale CMS
Diode 1N4004 CMSIl est intéressant d’installer les composants d’antiparasitage du moteur de locomotive sur le même circuit imprimé que l’on utilise pour la commande des feux d’éclairage de la locomotive et de leur inversion. L’ajout de composants montés en surface simplifie déjà le câblage et ne modifie pas beaucoup son encombrement.
Pour les échelles plus petites que le HO, les composants CMS peuvent être soudés à même les connexions du moteur pour profiter au maximum de l’espace disponible.
Bonjour,
En préambule je vous félicite pour la qualité de votre site et de son contenu.
Mon réseau est en N et donc particulièrement sujet aux problèmes d’encrassement. J’ai équipé toutes mes machines avec des diodes TVS 15V 600W achetées sur EB.
Je ne suis pas convaincu du résultat en constatant que l’accumulation de saletés sur les roues est loin d’avoir disparue. N’ayant aucune compétence en électronique, je me permet de faire appel aux vôtres.
Y-a t’il des caractéristiques précises pour qu’une diode TVS soit le plus efficace possible pour cet usage ? Une varistance serait’ elle plus adaptée ?
D’avance merci pour vos conseils.
NG
Je vous remercie pour ce retour.
Selon mon avis et mon expérience qui peuvent naturellement être corrigés ou complétés par d’autres modélistes :
– Une telle diode réduit l’agglomération des poussières par attraction électrostatique, elle ne saurait repousser les poussières présentes qui finissent toujours par s’accumuler sur les roues par simple écrasement (voir les roues du matériel remorqué non éclairé, surtout s’il est lesté).
– La courbe caractéristique courant / tension des varistances en oxyde de silicium est très proche de celle des diodes TVS, il n’y a pas, pour les tensions et les intensités qui nous intéressent pour le modélisme ferroviaire d’intérêt particulier à choisir l’un ou l’autre. En effet les varistances peuvent supporter des tensions extrêmes ce qui peut les rendre aptes à l’usage de parafoudres, ce qui n’a aucun intérêt pour notre utilisation.
La poussière est bien notre pire nuisance, un dispositif électronique permet de réduire les effets d’agglomération par attraction électrostatique en supprimant les pics de tension au niveau des roues mais la tension d’alimentation agit toujours, bien que de manière beaucoup plus faible, d’un point de vue électrostatique. Un dispositif électronique n’aura aucune incidence sur l’encrassement par effet mécanique.
Merci pour votre réponse. Je pensais plus particulièrement aux phénomènes d’encrassement dus aux étincelles provoquées par les hautes tensions, mais il est tout à fait pertinent de ne pas négliger l’accumulation de poussières comme vous le précisez.
Pensez vous qu’il puisse être judicieux d’ajouter une diode TVS aux bornes de l’alimentation pour ce qui est du domaine des HT ?
Cordialement
Il peut-être utile de monter une diode côté alimentation.
Comme mentionné dans l’article, dès lors qu’une self est présente dans le circuit, ce qui est le cas du transformateur d’alimentation, celle ci va tenter de maintenir le courant qui la traverse en cas de coupure due à un problème de captage et ce en restituant l’énergie sous forme de pic de tension.
Je pense qu’il est utile de brancher une telle diode en sortie de l’alimentation s’il s’agit d’un transfo redresseur.
Si la voie est alimentée avec une alimentation à découpage ou avec une alimentation PWM, celles ci sont généralement équipées de circuits de protection des composants internes contre les pics de tension, notamment des diodes de roue libre associées aux transistors de puissance. Selon la configuration, ces alimentations peuvent néanmoins parfois générer des pics de tension côté utilisation, donc côté voie.
Compte tenu du faible coût d’une diode TVS, il semble finalement préférable d’en monter une systématiquement aux bornes de l’alimentation.
Bonjour,
merci pour cet article; J’ai compris ce système de désencrassage mais en tant que néophyte, j’aimerai savoir si il y a une manière de palier des coupures éléctriques de rails et de donner donc une certaine inertie aux locos analogiques?
Cela ne doit pas interferer avec une coupure “volontaire” tel qu’un arret programmé par exemple..
Si vous avez un montage type, je suis preneur et peut on le mettre en plus d’un systeme roulnet montré ci dessus ?
Bonne journée
Bonjour,
Pour donner de l’inertie aux locomotives, il faut stocker de l’énergie à bord.
L’approche classique consiste à stocker de l’énergie cinétique à l’aide d’un volant d’inertie ce qui est une solution mécanique.
L’autre approche consiste à stocker de l’énergie électrique, et comme mentionné dans l’article, les condensateurs du Roulnet peuvent servir à cet usage. Il suffit d’augmenter leur valeur (470µF – 1000µF, voire plus et toujours avec une tension de service de 25V).
L’énergie stockée à l’aide des condensateurs est relativement faible et avec un moteur ancien et gourmand l’inertie sera de l’ordre de quelques millimètres, voire du centimètre. Avec les moteurs modernes tels que ceux qui équipent mes kits de remotorisation, l’inertie peut devenir plus significative.
Bien entendu l’espace disponible dans la locomotive ne permettra pas toujours de loger des condensateurs aussi encombrants.
Le recours à des condensateurs montés en surface permet d’en réduire l’encombrement. Malheureusement les composants au tantale de dimensions particulièrement réduites sont d’un coût rédhibitoire dès qu’ils dépassent 100µF.
Il est toujours conseillé de faire des essais préalables de compatibilité notamment avec les détections des block automatiques.
je recherche un système simple pour éclairage des wagons indépendant de la traction. je suis un Niste. merci
Des articles traitant de l’éclairage sont déjà publiés sur le site tels que
Module d’éclairage pour matériel roulant analogique en HO ou
L’éclairage du matériel roulant en analogique
Cet article traitant de l’antiparasitage des moteurs n’est pas le meilleur endroit pour développer les questions liées à l’éclairage, cependant voici par exemple les principaux systèmes pour un éclairage indépendant de la traction :
– les commandes par protocoles numériques (DCC par ex) ou analogiques (Jouefmatic par ex).
– la superposition de courant BF sur le courant de traction analogique.
– le stockage de l’énergie pour l’éclairage à bord des véhicules (condensateur ou batterie) qui est très peu encombrant en cas d’utilisation d’une alimentation PWM.
Je ne manquerai pas de développer ces sujets dans les articles mentionnés plus haut.