Université Libre de Tunis
Institut supérieur polytechnique privé
SNCFT
Etude et conception d’un banc d’essai en charge pour moteurs de traction
Par :
Bouba Oumarou Aboubakar
Ngnie Tadie Herman
Supervise par :
Dr Khaled Ben Smida
Juin 2012
DEDICACES
Je dédie ce mémoire,
Au Dieu tout puissant Allah, pour m’avoir prêté santé et courage pour arriver à ce niveau d’études.
A mon feu père Salihou Bouba, à qui j’aimerais dire par ce travail, que le dernier conseil que j’ai de lui est désormais accompli.
A ma mère bien aimée Diallo Kellou, pour lui dire tout simplement merci pour avoir supporté mes caprices depuis bientôt 23ans, et pour avoir donné corps et âme à mon éducation. Je t’offre ce travail, en guise de reconnaissance.
A ma tante Ladie Bouba, pour tout l’intérêt, le soutien et l’amour qu’elle porte particulièrement à mon égard depuis toujours. Que ce présent travail puisse te montrer ma plus profonde gratitude.
A tous mes oncles et tantes, pour m’avoir soutenu sur tous les plans depuis mon enfance jusqu’à ce jour.
A mon frère cadet Bouba Oumarou Youssoufa ; j’espère que ce travail te motivera à devenir le meilleur des médecins.
A tous mes frères, sœurs, cousins et cousines…
A toute ma famille…
A tous mes amis…
BOUBA OUMAROU ABOUBAKAR
DEDICACES
Je dédie ce travail,
A mes parents FOPOUSSI DAVID et MEGNE EVELYNE.
Vous vous êtes dépensés pour moi sans compter. En reconnaissance de tous les sacrifices et efforts consentis pour me permettre d’atteindre cette étape de ma vie. J’espère que vous trouverez dans ce travail toute mon affection et toute ma reconnaissance.
A mon frère THIERRY, à qui je souhaite la réussite a son examen et j’espère te voir faire les bons choix dans ta vie.
A mes sœurs à qui je souhaite tout le bonheur du monde et particulièrement JUDITH pour tout son soutient tout au long de mes études.
A mes neveux et nièces je vous souhaite meilleurs vœux de succès dans vos études.
A mes oncles, tantes, cousins et cousines, vous avez de près ou de loin contribué à ma formation. Vous avez mon affectueuse reconnaissance.
A mes chers enseignants qui ont fourni un effort sans relâche pour m’aider à donner le meilleur de moi même, par leurs conseils et leur savoir, pour cela Merci.
A mes chers amis je vous remercie pour m’avoir soutenu dans les moments difficiles.
A mes camarades de classe et tous ceux de la faculté de l’université libre de Tunis et à leurs familles.
NGNIE TADIE HERMAN
REMERCIEMENTS
Aux termes de ce travail, nous tenons à rendre un grand hommage aux vertus de ceux qui nous ont prêté leur généreuse assistance et apporté un appréciable soutien moral.
Nous remercions énormément Mr EL AMRAOUI ABDELWAHEB chef du département électrique des ateliers de Sidi Fathallah pour son accueil sur le site, Mr KHEMIRI ZOUHAIER, chef de l’atelier des machines tournantes, et Mr BRAHIM CHAMAM pour leur aimable attention, leurs conseils et leur dévouement, en dépit de leurs nombreuses occupations.
Nous tenons à exprimer également notre profonde gratitude et sincères respects à Mr KHALED BEN SMIDA, notre encadreur au sein de l’Université Libre de Tunis, qui tout au long de ce projet, n’a jamais cessé de nous fournir une aide utile, et nous guider vers le droit chemin.
Nos vifs remerciements s’adressent à tout le personnel des ateliers de Sidi Fathallah, pour leurs dévouements, leurs précieux conseils et tous les soins qu’ils ont toujours manifestés pour notre stage. Qu’ils veuillent trouver ici l’expression de notre profonde gratitude.
Nous adressons en outre nos sincères remerciements aux membres du jury, pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail, en acceptant de le juger.
Nous ne manquerons guerre de gratifier tous les enseignants, qui tout au long de notre long séjour à l’ULT, ont participé de près ou de loin à notre formation.
Finalement, nous tenons à exprimer nos remerciements les plus sincères à tout le personnel et les responsables de la Société Nationale des Chemins de Fer Tunisiens, pour l’aide qu’ils nous ont fournie et pour les précieux conseils qu’ils n’ont cessé de nous prodiguer tout au long du stage.
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE1
1. Environnement de travail et approche du sujet4
Introduction4
1.1. Présentation générale de la SNCFT4
1.1.1. Historique4
1.1.2. Présentation et activités4
1.1.3. Les ateliers de Sidi Fathallah(SFA)5
1.2. Approche du thème à traiter6
1.2.1. Principe de fonctionnement des locomotives de la S.N.C.F.T.7
1.2.2. Technologies des machines de traction8
1.2.2.1. Le moteur de traction8
1.2.2.2. La génératrice principale11
1.3. Problématique15
Conclusion16
2. Etat de l’art et cahier des charges18
Introduction18
2.1. Etat de l’art d’un banc d’essai pour moteur électriques18
2.1.1. Généralités sur les bancs d’essais moteurs18
2.1.2. Essai de routine pour machine asynchrone à cage20
2.1.3. Essai de développement pour machine à courant continu (de traction)20
2.2. Cahier des charges21
2.2.1. Etude et conception électrique du groupe MT-GP-charge21
2.2.2. Etude et conception mécanique du banc d’essai22
2.2.3. Conception et réalisation électronique de la carte de commande22
2.3. Modèle synoptique du banc de test23
Conclusion24
3. Conception électrique27
Introduction27
3.1. Dimensionnement27
3.1.1. Choix des convertisseurs statiques27
3.1.1.1. Convertisseur statique du moteur traction27
a. Etude du redresseur PD3 tout thyristors28
b. choix de l’inductance de lissage31
c. choix du thyristor et de ses protections31
d. Résumé34
3.1.1.2. Convertisseur statique de l’inducteur GP35
a. Etude du redresseur PD2 mixte35
b. choix de l’inductance de lissage38
c. choix des semi-conducteurs38
d .résumé39
3.1.2. Choix du sectionneur porte fusibles40
3.1.3. Choix des disjoncteurs41
3.1.4. Choix des disjoncteurs différentiels43
3.1.5. Choix des fusibles44
3.1.6. Choix des contacteurs46
3.1.7. Choix du transformateur monophasé47
3.1.8. Choix du transformateur triphasé de commande47
3.1.9. Détermination de la section des conducteurs47
3.2. Présentation de la boite de résistances50
3.3. Simulation du groupe52
3.3.1. Eléments du groupe52
3.3.2. Paramètres électromécaniques, à la vitesse nominale58
Conclusion62
4. Conception mécanique64
Introduction64
4.1. Critères de choix d’une transmission mécanique64
4.2. Généralités sur l’arbre à cardan 64
4.2.1. Définition et propriétés mécaniques64
4.2.2. Schéma cinématique du joint65
4.2.3. Composition et éléments de protection66
4.3. Conception mécanique de la transmission68
Conclusion73
5. Conception et réalisation de la carte de commande75
Introduction75
5.1 .Schéma fonctionnel de la platine de commande75
5.2 .Solution matérielle76
5.2 .1.Le microcontrôleur76
5.2 .1.1.Critères de choix76
5.2 .1.2.Caractéristiques du PIC18F45277
5.2 .1.3.Le PIC et ses périphériques sur la carte78
5.2 .1.4.Mappage des ports sur la carte79
5.2 .2.Les convertisseurs numériques analogiques80
5.2 .3.Les amplificateurs opérationnels81
5.2 .4.Les boutons poussoirs82
5.2 .5.Les entrées de référence et de mesure83
5.2 .6.L’écran LCD84
5.2 .7.Le Buzzer85
5.2 .8.Le générateur d’impulsions : TCA78585
5.2 .8.1.brochage85
5.2 .8.2.description fonctionnelle85
5.2 .8.3.schéma électronique de l’étage de génération87
5.2 .9.L’amplification des signaux de sortie et l’isolation galvanique88
5.2 .10.L’étage d’alimentation89
5.3 .Solution logicielle90
5.3 .1.Choix du langage et du compilateur90
5.3.2. Le programme développé92
5.3.2.1. Le programme principal92
5.3.2.2. L’algorithme de régulation93
5.3.2.3. L’algorithme d’affichage94
5.3.3. Choix du simulateur94
5.4 .Evaluation des résultats95
Conclusion97
ETUDE ECONOMIQUE DU PROJET98
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES101
BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE102
ANNEXES103
Liste des figures
Figure 1 : organigramme des ateliers de Sidi Fathallah6
Figure 2 : locomotive diesel-électrique7
Figure 3 : principe de fonctionnement des trains diesel –électrique7
Figure 4 : moteur à courant continu à excitation série8
Figure 5 : Moteur traction GENERAL ELECTRIC, type 7619
Figure 6 : Moteur traction GENERAL MOTORS, type D-299
Figure 7 : moteur à courant continu à excitation composée.10
Figure 8 : moteur traction GANZ, type TC33010
Figure 9 : génératrice à excitation séparée12
Figure 10 : circuit électrique inducteur-induit, d’une mcc12
Figure 11 : Circuit équivalent de l’induit d’une génératrice13
Figure 12 : Circuit équivalent de la génératrice en charge.13
Figure 13 : Caractéristique en charge d’une génératrice à c.c.14
Figure 14: Caractéristique Ω en fonction de I (Φ constant).14
Figure 15 : Synoptique du groupe Ward Leonard15
Figure 16: essai de développement d’un moteur de traction21
Figure 17 : schéma synoptique du banc d’essai.23
Figure 18 : montage redresseur PD328
Figure 19 : tensions et courants à la sortie du redresseur triphasé29
Figure 20 : symbole du thyristor31
Figure 21 : protection du thyristor contre les dv/dt34
Figure 22 : pont mixte PD235
Figure 23 : allures des tensions et courants du PD2 mixte36
Figure 24 : symbole du sectionneur porte fusible40
Figure 25 : symbole du disjoncteur41
Figure 26 : courbe de déclenchement magnétothermique type D42
Figure27 : symbole d’un DDR 30mA43
Figure 28 : le régime TT43
Figure 29 : symbole d’un fusible44
Figure 30 : symbole d’un contacteur46
Figure 31 : câble FRN05-VVU49
Figure 32 : câble H07 VR49
Figure 33 : câble H07 VU50
Figure 34 : compile des résistances en parallèles Gridex U51
Figure 35 : simulation du groupe moteur-générateur52
Figure 36 : générateur d’impulsions triphasées53
Figure 37 : générateur d’impulsions monophasées53
Figure 38 : bloc de contrôle-commande54
Figure 39 : essai de pompage55
Figure 40 : diagramme bloc simplifié du moteur de traction55
Figure 41 : réponse en vitesse du système à une perturbation56
Figure 42 : convertisseur d’angle56
Figure 43 : Allure de la tension58
Figure 44 : Allure de la vitesse59
Figure 45 : Allure du Couple moteur59
Figure 46: Allure du courant60
Figure 47 : allure des impulsions de commande du PD360
Figure 48: caractéristiques du convertisseur mixte61
Figure 49 : Liaisons pivots croisés à 90°65
Figure 50: l’arbre à cardan proprement dit65
Figure 51: Schéma cinématique d’un joint de cardan65
Figure 52: vue éclatée du joint simple66
Figure 53 : reproduction de l’arbre moteur68
Figure 54 : plaque d’équilibrage de l’arbre MT69
Figure 55 : arbre de la génératrice principale69
Figure 56 : plaque d’équilibrage de la GP70
Figure 57 : Vis M12 certifiée ISO70
Figure 58 : joint de cardan Norden71
Figure 59 : flasque du joint cardan Norden71
Figure 60 : croix de liaisons du cardan Norden72
Figure 61 : corps extérieur de l’arbre72
Figure 62 : corps intérieur de l’arbre72
Figure 63 : le montage total de l’accouplement72
Figure 64 : schéma fonctionnel de la platine de commande75
Figure 65 : le pic 18f452 dans le montage78
Figure 66 : l’oscillateur78
Figure 67: la logique reset79
Figure 68 : le convertisseur numérique analogique81
Figure 69: l’adaptation de signal82
Figure 70: les boutons poussoirs82
Figure 71: l’entrée de référence83
Figure 72: l’entrée de mesure83
Figure 73: l’écran LCD84
Figure 74: le Buzzer85
Figure 75: le tca 78585
Figure 76: diagramme bloc du tca78586
Figure 77 : étage de génération d’impulsions87
Figure 78: l’étage d’amplification et d’isolation88
Figure 79: réponse d’un transformateur d’impulsion89
Figure 80: étage d’alimentation générale89
Figure 81: le logiciel MikroC91
Figure 82: organigramme principal92
Figure 83: organigramme de correction93
Figure 84: organigramme d’affichage94
Figure 85: le logiciel Isis95
Figure 86: impulsions d’un étage TCA95
Figure 87: signaux de commande du pont PD396
Figure 88 : courbes caractéristiques de la réponse en tension97
Liste des Tableaux
Tableau 1 : Récapitulatif des caractéristiques des moteurs de traction SNCFT11
Tableau 2 : Caractéristiques de la génératrice GT60114
Tableau 3 : Comparaison thyristor-IGBT pour le redressement28
Tableau 4 : paramètres PID par la méthode de TAKAHASHI56
Tableau 5 : caractéristiques principales du PIC18f45277
Tableau 6 : mappage des ports utilisés80
Tableau 7 : broches du tca 785.85
Tableau 8 : valeurs statiques prélevées sur le régulateur96
Tableau 9 : coût de la carte de commande99
Tableau 10 : coût de la partie puissance.100
Introduction générale :
Les progrès technologiques dans les domaines de l’électronique de puissance et de l’électrotechnique ont conduit à un essor dans le secteur de la traction ferroviaire.
Le moteur de traction le plus utilisé dans la réalisation des entrainements électriques réglés est le moteur à courant continu (à excitation série ou composée).Son couple de démarrage, sa résistance à la charge, et sa commande simple sont des avantages à retenir, bien qu’ayant une construction complexe et un entretien suivi au niveau de la commutation.
Pour des raisons de sureté de fonctionnement et de continuité de service, les entreprises d’exploitation des chemins de fer doivent effectuer des essais sur ces motrices.
Dans ce contexte, l’atelier des machines tournantes de Sidi Fathallah de la Société Nationale des Chemins de Fer Tunisiens a décidé de mettre en œuvre des installations fixes, permettant d’obtenir des mesures précises sur les moteurs de traction, et d’obtenir des résultats rigoureusement comparables au fonctionnement en ligne.
C’est dans cet esprit que se situe notre projet de fin d’études intitulé : étude et conception d’un banc d’essai en charge pour moteurs de traction, dont les objectifs principaux sont la conception électrique du banc d’essai, la conception mécanique au niveau des accouplements, la conception et la réalisation des cartes de commande électroniques.
Pour la réalisation de ce projet, notre travail portera sur les principaux axes suivants :
Dans un premier chapitre, nous présenterons une approche du sujet, et une idée sur l’environnement dans lequel notre travail a été effectué.
Le deuxième chapitre sera dédié à l’étude de l’art des bancs d’essais pour moteurs électriques, une présentation du cahier des charges, et un modèle introductif du projet à réaliser.
Le troisième chapitre consistera à une proposition d’une conception électrique du banc d’essai en charge.
Le quatrième chapitre présentera les calculs effectués, et une conception mécanique des accouplements.
Finalement, le cinquième chapitre sera consacré à la conception et la réalisation électronique et logicielle de la carte de commande du moteur de traction, et de la génératrice principale.
CHAPITRE1 : Environnement de travail et approche du sujet
1. Environnement de travail et approche du sujet
Introduction
Dans ce chapitre, il s’agira pour nous de présenter l’entreprise au sein de laquelle nous avons effectué notre stage, son historique et ses activités. Par la suite, nous présenterons l’idée générale de notre projet de fin d’études, une présentation générale de la technologie des machines de traction, pour finir par l’exposition de la problématique qui y réside.
1.1. Présentation générale de la SNCFT [1]
1.1.1. Historique
Le chemin de fer a vu le jour en Tunisie bien avant 1881, date d’instauration du protectorat français sur la Tunisie. La première ligne de chemin de fer a relié Tunis, la Goulette et la Marsa (TGM). Inaugurée le 2 août 1872 par le souverain du pays à cette époque, cette ligne constituait en fait, le prélude à de nombreuses autres lignes qui, de 1878 à 1916, allaient être étendues dans le Nord du pays par la société des BATIGNOLES et sa filiale BONE-GUELMA.
En parallèle, et à la suite de la découverte en 1885 de considérables gisements de phosphates, près de la frontière sud-ouest de la Tunisie, la compagnie française des phosphates et des chemins de fer de Sfax-Gafsa entamait la construction du réseau Sud. Cependant cette ligne a été établie en voie métrique dans l’unique souci d’extraire les phosphates et de l’exporter. Cette ligne en voie métrique ne pouvait pas permettre des vitesses élevées (60 km/h maximum). Elle assurait le transport des voyageurs et des marchandises diverses.
La Société Nationale des Chemins de Fer Tunisiens (S N C F T) est créée par décret du 27 décembre 1956 pour prendre en main, les destinées de la partie nord du réseau national actuel. La partie sud (lignes Sfax-Tozeur, Sfax-Gabès et Etoile minière) en vertu d’une convention de concession signée avec l’état tunisien le 22 Mai 1897.A l’expiration de cette concession le 31 décembre 1966, Le gouvernement tunisien confie la gestion à la Société Nationale des Chemins de Fer Tunisiens (S.N.C.F.T) le 1er Janvier 1967.
1.1.2. Présentation et activités
La Société Nationale des Chemins de Fer Tunisiens est une entreprise publique à caractère non administratif. Elle est dotée de la personnalité civile et de l’autonomie financière. Elle est réputée commerçante dans ses relations avec les tiers est placée sous la tutelle du ministère du transport. Elle a pour mission :
- De gérer les différents biens mis à sa disposition par l’Etat sous forme de concession.
- D’exploiter les services de transport ferroviaire de voyageurs et de marchandises sur le réseau ferré national.
La SNCFT assure dans de bonnes conditions de sécurité, de qualité et de délai, le transport de :
- 11 millions de tonnes de marchandises; dont plus de 8 millions de tonnes de phosphate.
- 40 millions de voyageurs; dont plus de 5,5 millions de voyageurs sur les relations interurbaines.
Ce trafic voyageurs et marchandises couvre presque tout le territoire du pays sur un réseau ferré long de 2167 km comportant 267 gares, stations, haltes et 3 liaisons Rail-route.
L’ensemble de ses activités est effectué par 5 unités de transports:
- Le transport voyageur Grandes Lignes: transport interurbain.
- Le transport voyageur Banlieue de Tunis: Tunis – Borj Cédria.
- Le transport voyageurs Banlieue du Sahel: Sousse Bab Jedid – Monastir – Mahdia.
- Le transport de Phosphate.
- Le transport Fret.
Ces 5 unités sont appuyées par 2 autres unités d’affaires:
Le Réseau Ferroviaire Tunisien (RFT).
La Maintenance Industrielle (UMI).
La Société Nationale des Chemins de Fer Tunisiens emploie 4871 agents.
1.1.3. Les ateliers de Sidi Fathallah(SFA)
Pour pouvoir maintenir son matériel roulant en exploitation dans de meilleures conditions de sécurité, de qualité et de coût, la SNCFT s’est dotée d’établissements spécialisés dans la maintenance, la transformation, les grandes réparations et la réhabilitation du matériel ferroviaire. Ces établissements sont les suivants :
Ateliers
Sfax, Sidi Fathallah (dans laquelle notre projet est réalisé), Gaafour (Réparation wagons), Gafsa (Réparation wagons).
Dépôts
Grand Dépôt Farhat Hached (Tunis), Borj Cédria, Sfax, Gafsa, Sousse.
Les ateliers de Sidi Fathallah sont des établissements d’entretien et de réparation du matériel ferroviaire. Ce sont les ateliers les plus importants de la SNCFT qui ont pour rôle de préparer le matériel roulant .Ces ateliers qui s’étendent sur 42 hectares sont composés essentiellement de deux grandes divisions, à savoir :
Une division technique qui assure la maintenance du matériel moteur-voyageurs.
Une division de production qui assure l’entretien.
La figure ci contre présente un organigramme des ateliers de Fathallah.
Figure 1 : organigramme des ateliers de Sidi Fathallah
