Le pantographe est le dispositif articulé qui permet à un engin ferroviaire tel qu’une locomotive électrique, un tramway ou une automotrice électrique de capter le courant par frottement sur une caténaire afin d’alimenter sa traction et ses auxiliaires.
Sa désignation découle de la similitude de forme et de fonctionnement avec l'outil de dessin homonyme dans sa forme initiale
Aspect Les premiers pantographes avaient la forme symétrique d'un losange 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 .
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).
Fonctionnement vignette|308x308px|Descente d'un pantographe diamant avec cylindre pneumatique (l'effort de montée est réalisé par ressort) Sur l'archet sont fixées des bandes de carbone (« carbone à haute intensité »G. Auditeau, « Un carbone haute intensité pour les pantographes », Revue générale des chemins de fer, n° 200, 2010, p. 8-19.), acier et/ou cuivre (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 semi ou totalement indépendantes et montées sur ressorts.
Afin de maintenir une pression la plus constante possible des bandes de carbone sur la caténaire, un système d'amortissement peut être implémenté sur le pantographe. Cet amortissement utilise généralement des ressorts et/ou amortisseurs.
Dans le cadre d'un pantographe pneumatique récent, le déploiement du bras est assuré par un vérin ou un coussin pneumatique, qui assure une certaine pression sur le fil de contact. Le pantographe se replie alors par gravité, lorsque la pression d'air est annulée.
Enfin, sur certains modèles pneumatiques plus anciens, des ressorts travaillent en traction et maintiennent le pantographe déplié en contact avec la caténaire. Un dispositif de tringle pneumatique ou électrique est là pour le replier. Il travaille contre les ressorts avec une pièce pourvue d'un trou oblong par exemple qui laisse le pantographe libre de ses mouvements quand il n'est pas en traction. Pour pouvoir être relevé par le mécanicien 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.
Dans le cadre d'un pantographe électrique, utilisé majoritairement sur tramway et métro, les mouvements de montée et de descente sont assurés par un moteur électrique annexe, accouplé à des ressorts.
Innovations et tendances techniques
Prémisses Les débuts du pantographe ont commencé par le captage dans un rail aux B&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 nécessitant un fil positif et un négatif, les pneumatiques étant isolés) 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.
Collecteur à arc Des collecteurs à arc ont été ensuite utilisés avec un principe similaire aux frotteurs des perches à trolley mais avec une plus grande quantité de matériau d'usure et des croisements plus faciles.
Pantographe diamant et "bras-croisés" 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 permettent leur actionnement et/ou leur maintien.
Pantographe "unijambiste"
Inventé par Louis Faiveley, cette solution utilise une cinématique de quadrilatère déformable avec plusieurs avantages 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 différentes tensions 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 les trains utilisés par Thalys (absorbée par Eurostar), par exemple.
Avec le développement des trains à grande vitesse et l'utilisation de courant électrique de forte intensité, des efforts sont également faits pour mieux comprendreabirol M (2000) Interaction pantographe/caténaire: Études et concepts réalisés par la SNCF. Rail international, 31(9), 23-30. 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 par carte électronique)Cabirol M (2001) Problématique de l'interface entre la caténaire et le matériel moteur. Améliorations apportées aux pantographes. Revue générale des chemins de fer, (AVR), 79-84 (Notice et résumé Inist-CNRS), contrôler les phénomènes aéroacoustiques se développant par exemple dans la « baignoire » et autour des pantographes des TGVNoger C (1999) Contribution à l'étude des phénomènes aéroacoustiques se développant dans la baignoire et autour des pantographes du TGV. Approches expérimentale et numérique des écoulements affleurant une cavité et interactions non-linéaires de sillage entre deux cylindres (Doctoral dissertation, Université de Poitiers). ainsi que sur les lignes pour gérer les fuites de courant dues à l'humidité et aux embruns salés en bordure de mer.
Évolutions récentes Dans les dernières séries du Shinkansen, la caténaire étant dédiée à ce train est très basse, des "pantographes" plus simples et aérodynamiques (ainsi qu'optimisés en aéroacoustiques) ont pu être utilisés.
Des variantes récentes tel que le pantographe 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 ou l'aérodynamique.
Futures évolutions Le sous-projet 4 de Rail4Earth vise à avoir de futurs pantographes électro-mécaniques et donc sans air comme le plus souvent en grand ligne. 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.
Archets
Principe La longueur des bandes ou des archets dépend de plusieurs facteurs :
Le gabarit mécanique et électrique (les ouvrages comme les casquettes de quai en gare, les ponts...) Le désaxement du fil par rapport à la voie (aussi appelé « zig-zag ») afin de permettre une usure la plus uniforme des bandes de contact, lui-même dépendant des rayons de courbures, tension de fil de contact, température... Des mouvements de caisses autorisés (en particulier la souplesse)
Les cornes évitent au fil de contact de passer sous l'archet, en particulier lorsqu'un fil est soulevé et un nouveau (ou celui d'une voie adjacente) arrive.
L'EN 50367 définit deux limites:
"Serviceability" : le fil doit rester en contact avec les bandes de carbone dans les cas dits normaux intégrant en particulier : le désaxement du fil par rapport à la voie, nécessaire pour éviter les sillons dans les bandes de contact et profiter de toute leur matière d'usure le déplacement du pantographe par rapport à la caisse (dû à la dynamique et aux tolérances) le déplacement de la caisse par rapport à la voie "Stability" : le fil ne doit pas dépasser les cornes, considérant en particulier le déplacement du fil issu de l'effort de contact résultant de l'angle d'inclinaison des cornes
Largeur La largeur (dans le sens de voie) maximale et minimale peuvent être imposées par l'infrastructure, par exemple les appareils comme les isolateurs. Une largeur trop importante pourrait court-circuiter l'amont et l'aval (lorsque l'appareil est destiné à isoler y compris avec le pantographe passant). Une largeur trop petite associée à une suspension souple ou un grand degré de liberté sur la tête pourraient amener à se "coincer" dans un isolateur de section.
Les isolateurs de section prennent typiquement en compte la largeur maximale des archets et les distance d'isolement dans l'air.
Suspensions 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).
Archets interopérables 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.
Disposition des pantographes Les pantographes sont quasi exclusivement disposés au-dessus des bogies afin de suivre le désaxement des fils de contact.
Lors du franchissement de certaines sections neutres (en particulier celles dues aux changements de phase) le pantographe peut rester monté (mais le disjoncteur ouvert). Cela est conditionné à certaines contraintes sur la disposition des pantographes par rapport au sectionnement de la caténaire. Suivant la tension et le pays, les distances autorisées entre pantographes peuvent être plus ou moins importantes afin d'assurer un captage acceptable mais aussi d'éviter que deux pantographes (ou plus) ne viennent court-circuiter simultanément les sections séparées des isolateurs de section.Par ailleurs, deux pantographes montés ne sont souvent pas reliés électriquement entre eux (c'est même interdit dans certains cas, voir EN 50367 ou SAM E 903), à l'exception notable de certaines locomotives en courant continu, afin de partager le courant et limiter les échauffements, en particulier à basse vitesse.
Aptitudes au captage du courant
Tension et courants modernes Les différentes tensions nominales normalisées par l'EN 50163 sont :
En courant continu : 750 V, 1500 V, 3000 V En courant alternatif : 15 000 V / 16,7 Hz et 25 000 V / 50 Hz
Cependant d'anciens réseaux persistent avec des tensions ou fréquences très diverses.