Soutenance mémoire
Transformateur monophasé à alimentation fixe
Modélisation du transformateur
Mise en place de l’étude
Hypothèses de travail
Nous ne considérons dans cette modélisation que les parties actives du convertisseur électromagnétique : le bobinage (primaire et secondaire) et les tôles du circuit magnétique. Afin de simplifier l’étude et l’analyse des résultats, nous travaillerons de plus à taux de remplissage des espaces bobinables ainsi qu’à coefficient de foisonnement de l’empilement des tôles constants. Nous travaillons sur la base d’un transformateur parfait au premier harmonique. Nous négligeons les chutes de tensions dues à la résistance des bobinages, nous ne considérons pas la puissance réactive de la charge, ni le courant magnétisant (important dans le cas d’un fonctionnement en vieille). Tous les calculs sont effectués dans l’hypothèse d’un fonctionnement linéaire. L’induction magnétique dans le circuit magnétique, estimée dans le noyau central du transformateur, est limitée à une valeur maximale par une contrainte d’inégalité dans l’optimisation. Le régime permanent électrique est considéré comme toujours atteint dans ces travaux, les constantes de temps mises en jeux nous permettant de nous placer dans les conditions d’application de l’hypothèse de régime permanent électrique, même si l’interaction des différentes natures de régimes transitoires peut mener à des résultats dont le dimensionnement serait au final sensible, par exemple une répétition de régimes transitoires de mise sous tensions électriques dont les effets seraient significatifs. La simulation des cycles de fonctionnement se fait à l’échelle d’une journée. Nous ne modélisons pas le couplage thermique-électrique. Les grandeurs physiques utilisés dans ces calculs sont donc estimées dans le pire des cas, à la température maximale admissible par les bobinages. Notons toutefois que ce couplage thermique peut conduire à une variation significative de l’estimation des pertes lorsque la température est amenée à varier beaucoup (la variation de résistivité du cuivre en fonction de la température est d’environ 0,4 % par °C).
Paramètres descriptifs du transformateur
Le transformateur considéré possède une structure magnétique de type EI à enroulements concentriques [EB05]. Sa géométrie, présentée à la Figure 3.1, est décrite par l’intermédiaire de trois paramètres : hb pour la hauteur de la fenêtre de bobinage, en pour l’épaisseur du noyau central et La pour la longueur active du paquet de tôles. Nous avons délibérément séparé le paramétrage de l’épaisseur du noyau central et de la longueur active du paquet de tôles afin de permettre à l’algorithme d’optimisation d’avoir une action séparée sur les données environnementales du cuivre des bobinages et du fer du circuit magnétique.
Les enroulements primaires et secondaires sont respectivement constitués de N1 et N2 spires bobinées autour du noyau central. N1 est un paramètre d’optimisation alors que N2 est déduit du rapport de transformation. La répartition de la surface des fenêtres de bobinage entre les deux enroulements fait apparaître un dernier paramètre, défini sous la forme d’un coefficient k0 qui est substitué au paramétrage du diamètre des fils de bobinage.
Bilan d’énergies
Pertes de fonctionnement. Le transformateur est le siège de deux types de pertes : les pertes fer et les pertes Joule. La somme des pertes fer et des pertes par effet Joule donne les pertes de fonctionnement : Pfct = PJ +Pf . Afin de ramener ces pertes à une consommation d’énergie sur la durée totale d’utilisation, nous intégrons ensuite l’expression de Pfct sur l’ensemble du cycle de fonctionnement prévu dans le cahier des charges. Nous obtenons alors une énergie qui sera additionnée à l’énergie consommée durant les autres phases du cycle de vie du transformateur.
Modélisation thermique du transformateur
La contrainte thermique imposée aux optimisations porte sur la température maximale que peuvent supporter les isolants électriques au niveau des enroulements. Nous admettons que la température des isolants est identique à celle des enroulements. Le transformateur se décompose en trois régions isothermes que sont les enroulements concentrés dans les fenêtres de bobinage (de température θb), le circuit magnétique les entourant (de température θcm) et l’air ambiant avec lequel est en contact le transformateur (de température θ0). Nous supposons que les échanges de chaleur sont réduits à ceux ayant lieu entre ces trois blocs isothermes. Les échanges thermiques sont représentés sous la forme de résistances thermiques dont les définitions sont les suivantes.
Rb,cm – Résistance thermique représentant la conduction thermique entre les enroulements du bobinage et le circuit magnétique à travers un isolant électrique d’épaisseur ei et de conductivité thermique λi .
Rb,0 – Résistance thermique représentant la convection libre et le rayonnement entre le bobinage et l’air ambiant.
Rcm,0 – Résistance thermique représentant la convection libre et le rayonnement entre le circuit magnétique et l’air ambiant.
Ces trois échanges se font à travers trois surfaces de contact : la surface entre le bobinage et le circuit magnétique Sb,cm, la surface entre le bobinage et l’air ambiant Sb,0 et enfin la surface entre le circuit magnétique et l’air ambiant Scm,0. Nous notons ∆θcm,0 la différence de température entre le circuit magnétique et l’air ambiant, et ∆θb,0 la différence de température entre le bobinage et l’air ambiant. En posant h le coefficient de convection et de rayonnement associé aux échanges thermiques entre le circuit magnétique et l’air ainsi qu’entre le bobinage et l’air (nous supposons qu’il est identique dans les deux cas) nous pouvons donner une expression des résistances thermiques mises en jeu dans les échanges thermiques du transformateur monophasé à partir de sa géométrie.
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Table des matières
Introduction générale
Structure du mémoire
I Partie I – Conception et Environnement
1 Chapitre 1 – De l’analyse sur cycle de vie à l’éco-conception
Introduction
1 La démarche d’analyse sur cycle de vie
1.1 Le cycle de vie d’un système
1.2 Bref historique
1.3 Le cadre des normes
1.4 Méthodologie d’analyse sur cycle de vie
1.5 Deux impacts environnementaux spécifiques
2 L’éco-conception
2.1 De l’analyse sur cycle de vie à l’éco-conception
2.2 Critères environnementaux dans la conception
2.3 Démarches d’éco-conception
Conclusion
2 Chapitre 2 – Considérations sur l’éco-conception dans le Génie Electrique
Introduction
1 Diversités d’applications
2 Moteurs à haut rendements
3 Production
4 Recyclage
4.1 Les matériaux
4.2 Les composants du Génie Electrique
5 Phase de fonctionnement
5.1 Durée de vie
5.2 Cycle de fonctionnement
5.3 Vitesse variable
6 Vieillissement
6.1 Vieillissement thermique
6.2 Vieillissement mécanique
7 Introduction aux chapitres à venir
7.1 Objets d’études
7.2 Définition du champ d’étude
7.3 Modélisations et simulations
Conclusion
II Partie II – Application à des composants du Génie Electrique
3 Chapitre 3 – Transformateur monophasé à alimentation fixe
Introduction
1 Modélisation du transformateur
1.1 Mise en place de l’étude
1.2 Calcul de masse
1.3 Modélisation électrique du transformateur
1.4 Modélisation thermique du transformateur
2 Mise en place des simulations
2.1 Considérations préalables
2.2 Paramètres et contraintes d’optimisation
2.3 Synoptique d’optimisation
3 Optimisation du transformateur monophasé
3.1 Impact du cycle de vie sur le dimensionnement
3.2 Robustesse des résultats d’optimisation
3.3 Vieillissement du transformateur
Conclusion
4 Chapitre 4 – Moteur asynchrone monophasé à fonctionnements brefs
Introduction
1 Modélisation du moteur
1.1 Description du moteur
1.2 Restrictions de l’étude
1.3 Calcul de masse
1.4 Modélisation électrique
1.5 Mise en place du modèle
1.6 Modélisation thermique
2 Mise en place des calculs
2.1 Analyse sur cycle de vie
2.2 Vieillissement
2.3 Cycle de fonctionnement
2.4 Optimisations
3 Optimisation des dimensions du moteur
3.1 Configuration initiale
3.2 Sensibilité de la machine à la tension d’alimentation
3.3 Sensibilité à l’usage de l’actionneur
3.4 Sensibilité aux paramètres environnementaux
3.5 Sensibilité aux choix des matériaux
3.6 Sensibilité aux dimensions radiales
Conclusion
5 Chapitre 5 – Machine asynchrone triphasée à fréquence variable
Introduction
1 Modélisation de la machine
1.1 Mise en place de l’étude
1.2 Calcul de masse
1.3 Modélisation électrique de la machine
1.4 Modélisation thermique de la machine asynchrone
2 Mise en place des simulations
2.1 Considérations préalables
2.2 Paramètres et contraintes d’optimisation
2.3 Optimisation de l’alimentation
3 Optimisation des dimensions de la machine
3.1 Résultats d’optimisation
3.2 Action sur le nombre de paires de pôles
3.3 Analyses de sensibilité des résultats d’optimisation
Conclusion
Conclusion générale
