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Lepantographe est le dispositif articulé qui permet à unelocomotive électrique ou à untramway ou à d'autres systèmesautomoteurs électriques de capter lecourant par frottement sur unecaténaire.
Sa désignation découle de la similitude de forme et de fonctionnement avecl'outil de dessin homonyme dans sa forme initiale[1],[2]
Les premiers pantographes avaient la forme symétrique d'unlosange appelé en France « type G » , tandis que les pantographes modernes ne comportent qu'un seul bras articulé. Ils mesurent environ deux mètres repliés et assurent un débattement qui peut atteindre 3,20 m.
Le pantographe est fixé sur le toit de la locomotive au moyen d'isolateurs. Le contact avec la caténaire se fait par une pièce horizontale, l'archet sur lequel est fixée la bande de contact. Le bras articulé est formé de deux éléments, le bras inférieur et le bras supérieur. Le pantographe peut être pneumatique ou électrique. Le pantographe est le plus souvent fait de métal afin de conduire le courant par sa structure (en dehors de ses paliers ou des élingues, shuntées par des conducteurs tels que des tresses).
Sur l'archet sont fixées des bandes decarbone (« carbone à haute intensité »[3]) et decuivre (de 1 à 4 en général, suivant l'intensité et la vitesse/dynamique souhaitée) qui font office de frotteurs sur la ligne aérienne de contact (ou caténaire) et permettent de capter l'énergie électrique. Ces bandes peuvent être montées de façon rigide sur l'archet ou être indépendantes et montées surressorts.
Afin de maintenir une pression la plus constante possible des bandes de carbone sur la caténaire, un système d'amortissement est implanté sur le pantographe. Cet amortissement utilise généralement des ressorts mécaniques, un moteur électrique ou dessystèmes pneumatiques de typevérins.
Dans le cadre d'un pantographe pneumatique, le déploiement du bras est assuré par un vérin pneumatique, qui permet de maintenir une certaine pression sur la caténaire. Le pantographe se replie pargravité, lorsque la pression d'air est annulée.
Dans le cadre d'un pantographe électrique, les mouvements de montée et de descente sont assurés par un moteur électrique annexe.
Enfin, sur certains modèles, deux ressorts travaillent en traction et maintiennent le pantographe déplié en contact avec la caténaire. Un dispositif pneumatique ou électrique est là pour le replier. Il travaille contre les ressorts avec une pièce pourvue d'un trou oblong qui laisse le pantographe libre de ses mouvements quand il n'est pas en traction. Pour pouvoir être relevé par lemécanicien de locomotive, en cabine, grâce à la « clé de pantographe », la machine doit être sous pression. Lever le pantographe correspond à envoyer dans le piston de montée du pantographe, une pression suffisante pour libérer le ressort qui bloque le pantographe en position basse. Lorsque cette pression est annulée, le pantographe devient libre de ses mouvements et plaque ses archets sur la caténaire par l'intermédiaire des ressorts situés à sa base, entre autres. Dans le cas d'un défaut de pression (avarie, accident, etc.) le ressort de rappel descend automatiquement le pantographe et le maintient en position basse, jusqu'à un rétablissement normal de la pression, autorisant alors une action du mécanicien pour son relevage.
Les débuts du pantographe ont commencé par le captage dans un rail auxB&O. Le captage par frottement longitudinal, le courant retournant vers les rails. Des solutions par rouleau, peu adaptés aux grandes vitesses ou aux croisement persistent. Le captage par un unique fil trolley (contrairement aux trolleybus) et retour de courant par le rail persiste à Toronto. L'inconvénient de cette dernière étant la nécessité de retour la perche ou d'avoir une boucle de retournement.
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Des collecteurs à arc ont été ensuite utilisés avec un principe similaire aux frotteurs des perches à trolley mais avec une plus grande quantitié de matériau d'usure et des croisement plus faciles.
Sur grande ligne et en grande vitesse, les pantographes diamant et bras croisés font leur preuve tandis qu'ils permettent aussi une hauteur de captage importante comme aux passages à niveau ou sur des voies destinées à du fret à double étages par exemple.
Plusieurs solutions tels que des ressorts, engrenage, bielle, corde ou encore pistons[4],[5] permettent leur actionnement et/ou leur maintien.
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Inventé par Louis Faiveley[6], cette solution utilise une cinématique de quadrilatère déformable avec plusieurs avantage dont l'encombrement (on peut désormais mettre 2 pantographes au-dessus d'un bogie), la légèreté, une moins grande prise au vent et donc une meilleure qualité de captage.
Il existe des modèles de pantographe qui peuvent utiliser différentestensions d'alimentation mais les trains multi-tension, comportant un pantographe par type de courant utilisé, restent fréquents. Ils ont demandé la résolution de problèmes d'interopérabilité pour leThalys par exemple[7].
Avec le développement destrains à grande vitesse et l'utilisation de courant électrique de forteintensité, des efforts sont également faits pour mieux comprendre[8] et améliorer l'interface entre la caténaire et le matériel moteur (avec par exemple un ajustement de la force d'appui sur la caténaire contrôlé parcarte électronique)[7], contrôler les phénomènes aéroacoustiques se développant par exemple dans la« baignoire » et autour des pantographes des TGV[9] ainsi que sur les lignes pour gérer les fuites de courant dues à l'humidité et aux embruns salés en bordure de mer.
Dans les dernières séries du Shinkansen, la caténaire étant dédiée à ce train et très basse, des "pantographes" plus simples et aérodynamiques (ainsi qu'optimisés en aéroacoustiques) ont pu être utilisés.
Des variantes récentes tel que le pantograph de l'ETR1000 sont faites partiellement en matériau composite non-conducteur afin de fixer le pantographe directement sur la toiture. Le bras inférieur joue alors le rôle d'isolateur. Le tout étant plus lourd mais moins haut facilitant au choix son intégration en toiture et/ou l'aérodynamique[10].
Le sous-projet 4 de Rail4Earth vise à avoir de futurs pantographs électro-mécaniques et donc sans air comme le plus souvent en grand ligne[11]. Les solutions électriques avec montée et maintien par ressort telles qu'utilisées couramment pour les pantographes de tramway ou de métro existent. Cependant, elles n'offrent pas les performances requises en grande ligne telle que l'adaptation de l'effort à la tension caténaire ou à la vitesse, masse suspendue la plus légère, séparation et maintien sûr en position basse comme pour la mise à la terre et en court-circuit
A compléter
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Différentes solutions de suspensions existent composées d'un ou plusieurs ressorts (parfois dans une même boite) afin de coller au fil de contact. L'archet, composé de 1 à 4 bandes, peut être "rigide" (les bandes sont fixes entre elles, mais la tête peut pivoter), semi-indépendantes (les bandes peuvent bouger l'une par rapport à l'autre avec des leviers et/ou ressorts) ou indépendantes (chaque bande a ses propres ressorts).
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Les longueurs d'archets sont très variables suivant les gabarits mécaniques, électriques ainsi que la pose du fil de contact.
Deux archets interopérables ont été définis en Europe: le 1 600 mm et le 1 950 mm[12].
Le pantographe est validé avec ses bandes de contact (ou sa bande contact seule) suivant l'EN 50367 complété par l'EN 50206 et l'EN 50405. Les limites d'intéropérabilités en Europes sur grande ligne sont définies ainsi:
Pour le courant à l'arrêt:
Courant en roulage: Limite en puissance suivant la STI ENE et les limitations tension/courant ou tension/puissance de l'EN 50388.
Ces courants concernent les locomotives et automotrices (EMU) grande ligne. En métro, tramway ou BEMU (trains à batteries), les limites ne sont définies.
A compléter
Le pantographe en forme de « Z » (ou dit aussi « Faiveley ») permet une qualité de captage de l'électricité améliorée à des vitesses plus élevées[13] que celui en forme de losange.
Avec l'augmentation de la vitesse des trains, les modèles de pantographes ont été améliorés ; le nombre de pantographes par train a été augmenté alors que l'intervalle entre pantographes de train a été réduit, tout en recherchant une réduction de l'usure et des frais d'entretien[14].
Plus le train est rapide, plus trois types debruits augmentent : bruit de frottement, bruit d'arc électrique et bruit aérodynamique. On a donc aussi cherché à rendre plus silencieux les pantographes (en diminuant les frottements et les claquements des arcs électriques)[15], par exemple pour leShinkansen[16]. Il est possible de réduire le bruit du pantographe par des câbles de connexion haute-tension connectant les pantographes entre eux et par des déflecteurs oucaches de pantographe[16], ainsi que par une conception adaptée de la forme (design) du pantographe[16].
Plusieurs ailerons peuvent équiper la tête du pantographe (au-dessus ou en-dessous de la suspension) ou encore le bras (comme sur les pantographes Brecknell & Willis). Ceux-ci permettent de maitriser l'effort de contact moyen dans une plage suivant la tension et la vitesse et d'assurer un décollement minimum tout en limitant le soulèvement, en particulier celui des bras d'inscription.
Suivant la direction du roulage (genou en avant ou en arrière), la signature aérodynamique du pantographe[17] et/ou du train amène plus ou moins de portance. Au moins un aileron peut contibuer, suivant son angle d'attaque et sa largeur en particulier, à ajouter ou retirer de la portance. L'autre aileron, destiné à jouer le même rôle dans l'autre direction, devra avoir une influence faible ou négligeable[18] .
Sur certains trains, en particulier à grande vitesse (comme le TGV), la pression du coussin pneumatique est pilotée électroniquement[19] suivant plusieurs paramètres, permettant d'éviter l'ajout d'ailerons.
A compléter
A compléter
Sur train pendulaire, le pantographe est soit fixé à une structure reliée au bogie (exemples ci-dessous en image), soit monté sur un dispositif le déplaçant à l'opposé de la caisse[20] (comme avec des courroies sur Pendolino en Grande-Bretagne[21]).
A compléter
Le contact glissant entre le pantographe et la caténaire est un contact imparfait. Pendant le déplacement du train et à cause de la vibration, le pantographe se décolle fréquemment et durant quelques fractions de secondes de la caténaire, engendrant un phénomène d’arc électrique.
Ces arcs sont sources de nuisance sonore et représentent une menace en matière decompatibilité électromagnétique, pour la majorité des systèmes électroniques dans le train ou voisinant la voie ferrée comme leGSM-R, lecircuit de voie ou les systèmes de télécommunication.
Cette menace est due au fait que plusieurs perturbations, se caractérisant par un large spectre fréquentiel et une forte puissance, sont émises lors de ce phénomène et peuvent influencer le fonctionnement des systèmes cités ci-dessus[22].
Les principales causes de ce phénomène sont :
Sur grandes lignes et lignes LGV en Europe, il est prévu d'obtenir un modèle masse-ressort du pantographe après passage sur banc suivant l'EN 50318.
Une modélisation de la caténaire est également réalisée à partir de ses paramètres géométriques (espacement des mats, tension dans les fils, masse linéique, etc.) et permet une simulation de l'intéraction entre les pantographes et la caténaire[24] afin de pré-déterminer la qualité de captage (efforts et soulèvement en particulier) et de choisir la configuration (distance entre pantographes) la plus défavorable pour les essais en ligne.
Des bancs à roue tel que celui de PoliMi[25] permettent en roue d'estimer les usures du fil de contact et/ou des bandes au travers des usures mécaniques (frottement, effet Joule) et électriques (arcs).
Si la bande de contact sur le pantographe est usée ou détruite, ou éventuellement ses cornes, le pantographe peut arracher lacaténaire. Pour éviter cela, desmoniteurs de pantographe peuvent être installés. Le dispositif de descente automatique du pantographe, imposé sur certains trains, limite également les risques ou les dégâts.
Au-delà d'une certaine vitesse, les pantographes grande ligne doivent disposer d'un dispositif de descente automatique[26].
A compléter
La SAM E903[27] demande dans certaines conditions que le pantographe soit limité en hauteur sur ligne LGV.
Aux Pays-Bas, les ponts sans caténaires (souvent amovibles) sont traversés pantographe haut, ce qui nécessite une butée.
De même l'EN 50122 demande à limiter l'extension des pantographes lors de la rupture du fil de contact.
EnFrance, le principal constructeur de pantographes est la sociétéFaiveley Transport et un des fabricants de bande de carbone estMersen.
Un pantographe sert essentiellement pour l'alimentation d'un engin moteur ferroviaire. Cependant, il existe certains cas où le pantographe possède une fonction autre que la traction :
Le pantographe n'est pas le seul système de captage de courant pour lestrains outramways.On trouve aussi des frotteurs sur untroisième rail, voire quatrième rail sur lemétro de Londres. Ce système a été utilisé auparavant envallée de Maurienne et actuellement sur laligne Saint-Gervais - Vallorcine, ou sur la plupart des métro urbains.
Il existe d'autres systèmes plus anciens, dont le captage entriphasé duchemin de fer de la Rhune aupays basque.
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![Pantographe sur PAC (Profil Aérien de Contact) [RER C, Paris].](/mt/?noimg=&dark=on&url=http%3a%2f%2ffr.wikipedia.org%2fwiki%2fFichier%3aOverhead_rail_P1220601.jpg)
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Différents modèles de pantographes utilisés sur le matériel roulant de la SNCF
