Soutenance mémoire
Depuis leur apparition, vers la fin du 19 é siècle, les machines électriques à champ tournant font partie des outils de base de la civilisation moderne. En effet, elles sont omniprésentes dans presque toutes les formes de transformation d’énergie.En particulier, dans la production d’énergie électrique où l’on rencontre la transformation d’énergie mécanique (entre autres) en énergie électrique utilisable dans tous les appareillages domestiques et industriels, communément appelés actionneurs, où l’on observe la transformation de l’énergie électrique en énergie mécanique exploitable. Parmi ces actionneurs, le moteur asynchrone monophasé ou triphasé détient l’une des premières places. Ceci est dû notamment à sa robustesse notoire ainsi qu’à ses multiples qualités, pour ne citer que le peu d’entretien qu’il nécessite, d’où sa durée de vie relativement longue.
Son domaine d’exploitation est alors multiple et parmi tant d’autres, on peut citer :
• Les dispositifs de levage ou de treuillage (ascenseurs, monte-charges,…) ;
• Les installations de conditionnement thermique (Compresseurs dans les chaînes de production de froid,…)
• L’industrie de fabrication mécanique (machines-outils).
Souvent l’exploitation du moteur asynchrone nécessite l’utilisation de dispositif de freinage sûr pour assurer la précision et la réduction du temps de travail (cas des machines-outils combinées). Plusieurs méthodes de freinage peuvent alors être exploitées, telles l’inversion du sens de marche, ou l’injection rapide de courant continu dans les enroulements statoriques, ou encore l’utilisation directe de dispositif à friction. Les machines utilisant cette dernière méthode sont communément appelées « MOTEUR-FREIN ».
ÉTUDE TECHNOLOGIQUE DU MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASÉ
MORPHOLOGIE
En général, le moteur comporte :
– Un stator dont l’empilage est constitué de tôles dynamo à faible chiffre de pertes, en une pièce pour des diamètres extérieurs du circuit magnétique inférieurs ou égales à 1000 [mm] (exceptionnellement 1250 [mm]), en segments pour des diamètre plus élevés.
– Des encoches poinçonnées régulièrement à la périphérie de l’alésage, qui reçoivent les conducteurs d’un enroulement triphasé alimenté par le système de tensions du réseau.
– Des bobines logées dans les encoches (enroulement statorique) et qui sont exécutées en fils ronds isolés au vernis.
– Un rotor cylindrique séparé du stator par un entrefer très réduit (0.2 à 0.3 [mm] suivant la puissance de la machine), également constitué d’un empilage de tôles minces généralement fournies par la chute résultant du découpage de l’anneau statorique.
BLOCAGE DU FREIN
A l’arrêt du moteur, ses enroulements statoriques sont hors tension, la bobine du transducteur l’est aussi, d’où la disparition de la force électromagnétiqueFem . Seul le couple résistant (Couple extérieur) qui detérmine le mouvement du rotor. En l’absence de la force électromagnétique l’armature mobile 3 revient à sa place grâce à l’effort presseur Fp provoqué par les ressorts. Cet effort crée sur lui une pression de contact. Le contact entre l’armature mobile 3 et la garniture fixée sur le ventilateur porte garniture19 , se fait avec frottement. Il existe alors un moment de frottement qui s’oppose au mouvement du rotor et qui l’empêche de tourner. Les ressorts doivent être bien dimensionné pour que le module du moment de frottement qu’ils créent soit supérieur à la valeur du couple résistant.
CALCUL DU MOMENT DE FREINAGE
HYPOTHÈSES
Les hypothèses suivantes sont posées pour l’étude du freinage du moteur :
1. La pression de contact est uniforme car :
• Les liaisons de l’armature mobile 3 avec le corps du moteur assurent un appui plan de l’armature 3 sur la garniture du ventilateur porte garniture19 .
• La répartition et l’intensité des actions de contact des ressorts sur l’armature sont équilibrées
2. Le frottement est dit « sec », il est indépendant :
• de la vitesse de glissement
• de la pression de contact
• de la rugosité de la garniture mobile 3 .
Il ne dépend que de la nature des matériaux en contact.
PRÉSENTATION ET EXPLOITATION DU LOGICIEL
Véritable environnement de développement, MATLAB constitue une référence dans l’ingénierie industrielle comme dans l’enseignement pour tout ce qui concerne la simulation et les traitements numériques. Ses possibilités de résolution et de simulation restent inégalées dans les domaines du calcul numérique et de l’étude des systèmes dynamiques avec le support d’une excellente visualisation en 2D et 3D. L’approche objet et la possibilité d’enrichir l’environnement au fur et à mesure de son utilisation sont des atouts complémentaires essentiels pour tous les types d’utilisateurs .
CONCERNANT LE LOGICIEL
Le présent logiciel nommé : ‘’SIMAS‘’ est un logiciel qui contribue à l’étude technologique d’un moteur-frein triphasé. Déjà il simule le comportement dynamique du moteur en régime permanent et transitoire, mais aussi il contribue à l’étude du système de freinage du moteur, tels le dimensionnement et la simulation en régime dynamique de l’électro-aimant du système (transducteur), ainsi que le calcul du moment de freinage. Ce logiciel ne peut fonctionner que sous MATLAB, néanmoins il est facile à manipuler.
SIMAS comporte 5 parties indépendantes :
• La première partie concerne la simulation du comportement du moteur en régime statique et aussi en régime dynamique ;
• La seconde partie représente le principe de fonctionnement du déblocage du frein ainsi que son blocage ;
• La troisième partie occupe du dimensionnement du circuit électrique du transducteur ;
• La quatrième partie simule le comportement dynamique du transducteur ;
• La cinquième et dernière partie concerne le logiciel de travaux pratiques.
GUIDE D’UTILISATION
Comme SIMAS simule le comportement du moteur-frein, les données suivantes sont nécessaires durant son exploitation :
• Les résistances statorique et rotorique du moteur : s Rr R , ;
• Les diverses inductances statorique et rotorique : s r Lsr L , L , ;
• Les données de la plaque signalétique du moteur : U , f ,… s s;
• Les paramètres caractéristiques du mécanisme de freinage (raideur du ressort, géométrie de la garniture,……) .
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I : ÉTUDE TECHNOLOGIQUE DU MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASÉ
Chapitre 1 : RAPPELS SUR LA GÉNÉRALISATION DE LA NOTION DE VECTEUR D’ESPACE
1.1 Généralités
1.2 Vecteur d’espace de la force magnétomotrice
1.3 Vecteur d’espace des courants triphasés
1.3.1 Expressions de ids et iqs
1.3.2 Valeurs instantanées des courants statoriques
1.4 Equations des tensions cas d’un circuit ‘’R-L’’ serie
1.5 Expression générale de la puissance électrique
1.5.1 Expression de la puissance instantanée
1.5.2 Expression des pertes par effet joule
1.6 Modélisation du moteur asynchrone triphasé
1.6.1 Expression du vecteur d’espace de la f.m.m
1.6.2 Expressions des vecteurs d’espace des flux
1.6.3 Équation dans différents repères à l’aide des Grandeurs d’espace
1.6.4 Récapitulation des équations dans les différents repères
1.7 Expression du couple électromagnétique
1.7.1 Puissance statorique
1.7.2 Équation du couple dans le repère Dx-Qx tournant à la vitesse
Chapitre 2 : MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASÉ EN RÉGIME PERMANENT
2.1 Calcul du vecteur d’espace de la tension d’alimentation
2.2 Schémas électriques équivalent du moteur asynchrone
2.2.1 Schéma général en T
2.2.2 Schéma équivalent transformé
2.3 Couple électromagnétique
2.3.1 Allure générale du couple électromagnétique
2.3.2 Autre méthode de calcul du couple électromagnétique
2.3.3 Point de fonctionnement
2.4Simulation du comportement dynamique du moteur asynchrone en régime permanent
2.4.1 Couple électromagnétique et courant de phase statorique en fonction du glissement
2.4.2 Couple électromagnétique et courant de phase statorique en fonction de la vitesse du rotor
Chapitre 3 : MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASÉ EN RÉGIME TRANSITOIRE
3.1 Phénomènes transitoires pendant le démarrage
3.1.1 Hypothèses
3.1.2 Équations électrique et magnétique
3.1.3 Résolution numérique de l’équation d’état
3.1.4 Équation dynamique du rotor
3.1.5 Algorithme de programmation des équations d’état
3.2 Exemples des tracés des caractéristiques du moteur en régime transitoire
3.2.1 Courbe caractéristique du couple électromagnétique
3.2.2 Courbe caractéristique du courant statorique
3.2.3 Courbe caractéristique de la vitesse de rotation du moteur
3.2.4 Tracé du couple électromagnétique en fonction de la vitesse de rotation du rotor
PARTIE II : ÉTUDE TECHNOLOGIQUE DU SYSTÈME DE FREINAGE
Chapitre 1 : ÉTUDE DE FREINAGE
1.1Généralités
1.1.1 Freinage d’un disque
1.1.2 Calcul de l’effort presseur donné par un ressort
1.2Principe de freinage du moteur frein
1.2.1 Déblocage du frein
1.2.2 Blocage du frein
1.3Calcul du moment de freinage
1.3.1 Hypothèses
1.3.2 Relation reliant l’effort presseur et le moment de freinage
Chapitre 2 : DIMENSIONNEMENT DU CIRCUIT ÉLECTRIQUE DU TRANSDUCTEUR DU SYSTÈME DE FREINAGE
2.1Rappels
2.1.1 Équations de MAXWELL
2.1.2 Loi de la tension induite
2.2 Force créée par un système électromagnétique
2.2.1 Expression de la conservation d’énergie
2.2.2 Expression de l’énergie magnétique
2.2.3 Expression de la force créée par un système électromagnétique
2.3 Dimensionnement du transducteur
2.3.1 Hypothèses
2.3.2 Schéma magnétique équivalent du système
2.3.3 Détermination de la force que le transducteur doit fournir
2.3.4 Dimensionnement du transducteur
2.3.5 Algorithme de dimensionnement
Chapitre 3 : COMPORTEMENT DYNAMIQUE DU TRANSDUCTEUR
3.1 Régime transitoire
3.1.1 Hypothèses
3.1.2 Schéma magnétique équivalent
3.1.3 Équations dynamiques
3.1.4 Résolution des équations dynamiques
3.1.5 Allure générale du courant circulant dans la bobine du transducteur
PARTIE III: PÉSENTATION ET EXPLOITATION DU LOGICIEL
1 Concernant le logiciel
2 Guide d’utilisation
3 Exemples d’utilisation
3.1 Simulation du comportement du moteur
3.1.1 Simulation en régime permanent
3.1.2 Simulation en régime transitoire
3.2 Logiciel de travaux pratiques
4 Conclusion
CONCLUSION
