Le Frein électro-pneumatique

 

Le frein électro-pneumatique, à distinguer de l'assistance électrique du frein pneumatique (appelée également frein électro-pneumatique, ou frein E.P. : voir la page correspondante), correspond à une architecture dans laquelle :

* la commande du freinage est réalisée de manière purement électrique

* l'énergie d'actuation (produisant l'effort) est pneumatique

Il ne subsiste donc plus qu'une seule conduite pneumatique, à savoir la Conduite Principale (CP) - appelée aussi Conduite d'Equilibre (CE) dans certains cas - qui permet d'assurer l'alimentation en air comprimé de l'ensemble des équipements du train (frein, suspension secondaire pneumatique, portes, etc...).

Le frein électro-pneumatique a été développé dans les années 60 pour améliorer notablement les performances des matériels urbains, notamment des métros pour lesquels les premiers systèmes de pilotage automatique sont apparus à cette époque. Il s'est de plus avéré que seule la commande électrique pouvait, grâce à ses temps de réponse quasi-nuls, se marier avec un système de pilotage automatique intégral (type VAL ou Météor).

La présente page décrit les grandes lignes de ce type d'architecture. Pour plus de détails sur certains aspects ou composants liés à la partie pneumatique du système, l'on pourra également se reporter à certaines pages liées au frein pneumatique.

 

La commande du freinage de service

Commande de freinage du train

La commande du freinage de service est, dans la très grande majorité des cas, associée à la commande de traction : les deux utilisent le même manipulateur, qui dispose d'une plage traction lorsqu'il est poussé vers l'avant et d'une plage freinage lorsqu'il est tiré vers l'arrière (c'est le contraire au Royaume-Uni et Australie !).

Le manipulateur intègre des potentiomètres électriques qui délivrent une tension proportionnelle à la position du manipulateur dans chacune des plages, ainsi que des contacts indiquant s'il s'agit de la plage traction ou de la plage freinage.

La tension délivrée par les potentiomètres et l'état des contacts de position sont fournis à une carte électronique (l'émetteur de consigne), laquelle se charge de coder la consigne d'effort (traction ou freinage) sous forme d'une signal, généralement de type PWM : la valeur d'effort est fonction du rapport cyclique du signal, la fréquence et la tension étant fixes.

 

Principe de fonctionnement du PWM : U (tension) et T (période, image de la fréquence) sont fixes, tandis que t varie.

Le taux du signal PWM est le rapport t/T, dont la valeur en % détermine la consigne d'effort

 

La distinction entre traction et freinage se fait soit en signant la valeur du signal PWM (+ pour la traction, - pour le freinage), soit en réservant une plage pour la traction et une plage pour le freinage (par exemple 52% à 95% = traction, 52% à 48% = neutre, 48% à 10% = freinage), soit en positionnant en parallèle des lignes de train logiques (alimentées à la tension batterie, et étant soit sous tension, soit coupées) indiquant s'il faut réaliser l'effort demandé en traction ou freinage.

Les engins les plus modernes utilisent même un bus informatique au lieu des lignes de train PWM et traction/freinage pré-citées : toutes les informations de traction, freinage et consigne d'effort sont alors transmises sous forme entièrement numérique par le biais de l'unité centrale informatique, laquelle reçoit en entrée la tension variable du manipulateur traction/freinage.

 

Commande du freinage des véhicules

Au niveau de chaque véhicule moteur, une électronique de commande traction/freinage reçoit les ordres de traction et freinage (signal PWM, et éventuellement les ordres logiques traction et freinage). Ces signaux sont décodés par cette électronique, et traduits en un effort à réaliser en traction ou freinage.

Les algorithmes internes décident alors, dans le cas du freinage, de commander en priorité le frein dynamique, puis en complément le frein mécanique. Ce complément de frein mécanique peut être commandé sur le véhicule lui-même, ou requis auprès d'un véhicule remorqué voisin par le biais d'une liaison électrique avec l'électronique de freinage de ce véhicule.

Au niveau de chaque véhicule remorqué, une électronique de commande freinage reçoit également les ordres traction et freinage (signal PWM, et éventuellement les ordres logiques traction et freinage). Ces signaux sont décodés par cette électronique, et traduits en un effort à réaliser (dans ce cas, aucune action n'intervient en phase de traction).

Les algorithmes internes décident alors de réaliser ou non un effort de freinage, en fonction des lois de conjugaison définies ou sur demande d'une électronique de commande traction/freinage d'un véhicule moteur voisin.

Dans le cas d'utilisation d'un bus informatique, une carte d'interface intégrée à chaque électronique permet de lire les messages véhiculés par le bus, d'en extraire les consignes de traction et freinage et d'en déduire l'effort à réaliser sur le véhicule. Les éventuelles informations échangées d'un véhicule moteur vers un véhicule remorqué sont également transmises via le bus informatique.

 

Cliquer ici pour visualiser le synoptique d'un frein électro-pneumatique

 

Dans certains cas (matériels urbains notamment), au niveau de chaque véhicule l'électronique de traction/freinage récupère une information de pesée (du véhicule lui-même) via un capteur de pression sur le circuit de la suspension secondaire pneumatique, ou depuis un capteur de charge entre caisse et bogie, et corrige la consigne d'effort à réaliser en fonction de cette charge.

L'électronique commande ensuite un transducteur électro-pneumatique, de manière à transformer la consigne d'effort en une pression pneumatique. Il existe deux types de transducteurs :

* l'électrovalve modérable : la pression de sortie est fonction du courant qui la traverse.

* le régulateur analogique : la pression de sortie est commandée par deux électrovalves tout ou rien (une de remplissage, une de vidange) pilotant la pression dans une petite capacité, un capteur de pression permettant à l'électronique de piloter les deux électrovalves pour ajuster finement la pression dans la capacité.

La pression pilote sortie du transducteur est délivrée à un relais de débit à travers un sélecteur de circuit (qui laisse passer la plus grande des deux pressions qu'il reçoit en entrée), lequel relais de débit alimente les cylindres de frein du véhicule.

 

La commande du freinage d'urgence

Commande de freinage du train

La commande de freinage d'urgence est totalement découplée de la commande du freinage de service, de manière à garantir un niveau de sécurité élevé. La commande est, dans la très grande majorité des cas, réalisée par le biais d'une boucle d'urgence qui parcourt toute la longueur du train, et est bouclée dans le dernier véhicule pour revenir en tête. En cas de circulation en unité multiple (UM), la boucle est en général automatiquement reconfigurée pour se reboucler sur le dernier véhicule de la rame de queue.

La boucle d'urgence est en permanence sous tension, alimentée soit directement depuis la batterie, soit par le biais d'une alimentation à potentiel flottant (permettant de se prémunir contre les réalimentations intempestives de la boucle). Pour déclencher le freinage d'urgence, il suffit d'ouvrir l'un des contacts installés en série sur cette boucle pour que celle-ci soit au potentiel nul, indiquant la commande d'un freinage d'urgence.

Chacun des contacts installés sur la boucle est actionné par un équipement donné : position urgence du manipulateur traction/freinage, coup-de-poing d'urgence ou équipement de sécurité (VACMA, contrôle de vitesse, etc...).

 

Commande du freinage des véhicules

Au niveau de chaque véhicule, une électrovalve d'urgence est soit connectée directement sur la boucle d'urgence, soit alimentée par le biais d'un relais électrique d'urgence connecté directement sur la boucle d'urgence. Lorsque celle-ci est sous tension, chaque électrovalve d'urgence est maintenue excitée et délivre une pression de sortie nulle. Lorsque la boucle d'urgence est ouverte, chaque électrovalve d'urgence est désexcitée, et délivre une pression pré-définie correspondant à l'effort de freinage d'urgence.

La pression de sortie de l'électrovalve d'urgence est délivrée au relais de débit via le sélecteur de circuit, le relais de débit alimentant les cylindres de frein du véhicule.

En général, la coupure de la boucle d'urgence provoque en parallèle l'ouverture du disjoncteur, ce qui inhibe le frein dynamique mais garantit surtout une coupure certaine de la traction.

En parallèle, chaque électronique reçoit l'information de freinage d'urgence par lecture de l'état de la boucle, et force en sortie du transducteur électro-pneumatique une pression correspondant à l'effort de freinage d'urgence : cette disposition garantit qu'en cas de défaillance de l'électrovalve d'urgence ou de blocage du sélecteur de circuit, l'effort de freinage d'urgence sera bien commandé.

La correction de charge est ici réalisée soit par le biais du relais de débit s'il est de type auto-variable, soit par le biais d'un limiteur de pression connecté à la suspension pneumatique ou au capteur de charge et permettant de délivrer en sortie d'électrovalve d'urgence une pression proportionnelle à la charge, dans la limite d'un état de charge maximal pré-défini.