CHAPITRE2 :
Etat de l’art et cahier des charges
2. Etat de l’art et cahier des charges
Introduction
Dans ce second chapitre, nous commencerons par l’étude d’un banc d’essai pour moteurs électriques, nous poursuivrons en énonçant notre cahier de charge et pour finir par une description préliminaire qui est le modèle synoptique de notre banc d’essai.
2.1. Etat de l’art d’un banc d’essai pour moteur électriques
2.1.1. Généralités sur les bancs d’essais moteurs
Le banc d’essai pour moteurs électriques a été conçu pour fournir une fiabilité maximum, une excellente durabilité et des performances à toute épreuve dans le domaine industriel, ceux-ci d’une part pour évaluer les différences avec les valeurs estimées à la conception, d’autre part pour mesurer l’impact des modifications.
Les essais sur moteur peuvent s’effectuer au banc d’essais ou bien sur la ligne en employant un wagon-dynamomètre, Seules les expériences au banc d’essais, c’est-à-dire dans des installations fixes qui sont de vrais laboratoires, permettent d’effectuer des mesures précises et d’obtenir des résultats rigoureusement comparables.
Cependant, un essai au banc ne peut évidemment reproduire les conditions variables d’un essai en ligne et, notamment, ne peut tenir compte des circonstances atmosphériques variables, du refroidissement des cylindres, des irrégularités du profil de la voie, des arrêts imprévus à des signaux. Par ailleurs, pour un essai en ligne, donnant toute satisfaction, il faudrait pouvoir choisir une section de voie toujours la même, en bon état permanent d’entretien, en ligne droite, en palier ou en rampe constante et de longueur telle que l’on puisse, sans trop gêner l’exploitation, remorquer le train d’essai à vitesse constante. Une telle durée est nécessaire pour pouvoir éliminer les erreurs de mesure du combustible au début et à la fin de l’essai, [5].
Les moteurs électriques peuvent être étudiés en pleine charge ou en charge partielle. La cartographie du moteur est recherchée avec une charge et un régime variables. Il est également possible d’étudier l’action commune du frein et du moteur. Le banc d’essai convient bien à la démonstration et également aux essais autonomes effectués par les sociétés industriels. Le banc d’essai peut être utilisé dans des salles de laboratoire normales Le bruit se situe dans une plage considérée comme étant supportable. Les gaz d’échappement sont amenés à l’extérieur par un flexible. Le puissant logiciel d’acquisition de données utilisé pour l’essai supporte le processus d’apprentissage d’excellente manière et permet l’affichage en temps réel de toutes les grandeurs mesurées et calculées.
Le Banc d’essai pour moteurs électriques peut avoir plusieurs domaines d’applications :
– Moteurs électriques pour le transport (rail, locomotive, voiture électrique). – Moteurs électriques pour des véhicules hybrides. – Moteurs électriques pour des stations de pompages. – Générateurs de puissance.
La réalisation d’une plate-forme d’essais permettant l’examen complet des systèmes d’entraînement courant continu et alternatif pour des applications industrielles comprend les essais suivants :
Essai de routine.
Essai de type (caractéristiques électromécaniques).
Essai système (moto variateur).
Essai de développement (plus rapport complet).
Lors des essais de routine et de type, les moteurs, les transformateurs et les variateurs de fréquence sont testés selon les normes européennes en vigueur.
Lors d’un essai système, les composants sont testés à la fois séparément et conjointement afin de prendre en considération leurs interactions. Dans ce cas bien précis, un couple mètre permet de mesurer la puissance sur l’arbre. La machine de charge, accouplée au moteur essayé, freine le système d’entraînement conformément aux conditions de charge et simule l’application (pompe, compresseur, etc.).
Les puissances maximales qui peuvent être atteintes sont de l’ordre de 1500 kW en charge et 10 MW à vide pour une vitesse maximale de 4000 trs/min et une tension maximale de 14 kV à 50/60 Hz (des fréquences plus faibles sont également possibles grâce à l’utilisation de variateurs de fréquence).Dans le cas de puissances supérieures, des méthodes de charge équivalente sont envisageables.
Notre projet visant les moteurs électriques pour le transport, nous expliciterons ci-dessous les routines d’essai des moteurs dédiés pour cette application (la machine à cage et la machine à courant continu).
2.1.2. Essai de routine pour machine asynchrone à cage
L’essai de routine de la machine asynchrone à cage comprend les opérations suivantes :
Contrôle visuel
Mesure de la résistance d’isolement des enroulements et des accessoires.
Mesure de la résistance ohmique des enroulements à température ambiante.
Essai de tension de tenue des enroulements (essai diélectrique).
Contrôle des sondes et accessoires.
Vérification de la zone neutre.
Contrôle de la commutation.
Essai à vide.
Mesure de points de charge (sans échauffement) avec enregistrement des variations de vitesse de rotation.
Mesure du niveau de vibration.
Etablissement d’un PV d’essai.
Sur demande:
Analyse de fréquence de la mesure de vibration (FFT).
Essai de survitesse.
Mesure de bruit d’après EN 60034 – 9 (uniquement en fonctionnement à vide).
2.1.3. Essai de développement pour machine à courant continu (de traction)
Les mesures et essais effectués sont les suivantes :
Mesure des caractéristiques à vide à différentes tensions.
Mesure des caractéristiques en court circuit à différentes tensions.
Essai en charge avec échauffement et détermination du rendement.
Essai de survitesse.
Analyse vibratoire.
Figure 16: essai de développement d’un moteur de traction
Toutes les valeurs enregistrées au cours d’un essai sont retranscrites sur un rapport d’essai détaillé et évaluées suivant les normes en vigueur, [6].
2.2. Cahier des charges
La conception du banc d’essai proposé est en effet un variateur complet de vitesse pour une machine à courant continu, dont le courant est mécaniquement contrôlé. Il s’agit donc d’un système asservi par un microcontrôleur, qui pour chaque valeur de la vitesse et de la charge demandée, permet d’afficher toutes les caractéristiques mécaniques du moteur traction. Pour réaliser ce travail, le cahier des charges est divisé en trois grandes parties.
2.2.1. Etude et conception électrique du groupe MT-GP-charge
Les étapes à effectuer dans cette partie sont les suivantes :
Etude et dimensionnement des câbles d’entrée du banc et des dispositifs de protection amont.
Etude et dimensionnement du convertisseur statique pour l’alimentation du moteur de traction.
Etude et dimensionnement des dispositifs de protection et des câbles en aval du convertisseur.
Etude et dimensionnement du pont mixte pour la commande de l’excitation GP.
Etude et dimensionnement des câbles et dispositifs de protection sortie génératrice.
Etude de la boite de résistance existante, et proposition d’un schéma de raccordement à la sortie GP(en fonction de la charge).
Etude et conception d’un schéma général du banc d’essai en charge.
Minimisation du coût de réalisation.
2.2.2. Etude et conception mécanique du banc d’essai
Il s’agira pour nous de :
Calculer les coefficients de réduction au niveau des accouplements.
Etudier et choisir le type d’accouplement rigide le plus adéquat.
Concevoir cette liaison mécanique.
Prévoir un système de protection humaine contre les avaries de la rotation.
Concevoir la mise en place du banc d’essai.
Faciliter au maximum la manipulation du banc d’essai lors du fonctionnement.
Minimiser le coût de réalisation.
2.2.3. Conception et réalisation électronique de la carte de commande
Cette partie concerne l’aspect électronique et logiciel du banc d’essai, elle doit permettre d’atteindre les objectifs suivants :
Une Précision sur toutes les mesures.
Une variation de la tension d’alimentation du MT et du courant d’excitation GP sur 8 points, image des 8 crans de vitesse que peut atteindre la locomotive.
Une sécurité de contrôle de toute l’installation.
Un affichage de vitesse sur un écran pour faciliter l’utilisation du banc par l’opérateur.
Enfin la génération des différents signaux de commande pour l’enclenchement des deux ponts.
2.3. Modèle synoptique du banc de test
Pour pouvoir reproduire le fonctionnement de la locomotive sur notre banc d’essai et ainsi tester à la fois le moteur de traction et la génératrice principale, nous avons choisit le principe suivant :
Figure 17 : schéma synoptique du banc d’essai.
En effet, l’arrivée du réseau Steg à travers un transformateur alimente l’entrée du banc d’essai : le convertisseur statique MT.
Ce convertisseur est un redresseur triphasé tout thyristor, qui par variation de la tension fournit l’énergie nécessaire au moteur de traction.
Le Convertisseur statique GP quand à lui est un redresseur monophasé à pont mixte, composé de deux diodes et deux thyristors, qui permet la variation du courant d’excitation de la Génératrice principale.
La charge résistive est un bloc de résistances variables, qui permet de configurer par sa puissance, le poids et la remorque de la locomotive.
Lorsque la génératrice principale est chargée, celle-ci, accouplée mécaniquement par une transmission rigide à joints de cardan joue le rôle de charge pour le moteur de traction, qui soit par variation de la tension d’alimentation, ou le courant d’excitation GP, permet de configurer les huit crans de vitesse que la locomotive peut atteindre, tout en observant les caractéristiques électromécaniques pour chaque valeur choisie de la charge.
La carte de commande est le cœur du banc d’essai car elle nous permet à la fois de gérer l’énergie transmise du redresseur au moteur ou du pont mixte à l’inducteur de la génératrice, c’est à la fois un régulateur de vitesse et un limiteur de couple pour le moteur de traction.
Celle-ci contient principalement:
Un circuit intégré TCA 785 qui permet de générer les signaux de commande des deux convertisseurs.
Un microcontrôleur qui permet de gérer l’interface entre le banc d’essai et l’opérateur, calcule et compare les grandeurs mesurées aux grandeurs de référence, prend des décisions, et garantit une sécurité de celui-ci.
Un afficheur LCD qui informe l’opérateur de l’état du système tout au long du test.
Un bloc d’alimentation électrique qui fournit les niveaux de tension et de courant nécessaire au fonctionnement de la carte.
Conclusion
Tout au long de ce chapitre, nous avons élaboré une étude sur la généralité des bancs d’essai pour moteurs électriques avec les différents essais possibles, nous avons ensuite énoncé le cahier des charges qui nous a été soumis, pour aboutir à une solution synoptique du banc d’essai en charge, qui nous permettra d’entamer la phase de conception électrique.
