1.2. Approche du thème à traiter
Pour des raisons de bon fonctionnement, la S.N.C.F.T. souhaite programmer des révisions et des tests périodiques sur leurs différents moteurs de traction, sur des installations fixes, pouvant reproduire le fonctionnement en ligne.
Pour ce faire, la société a donc décidé de lancer le projet de réalisation d’un banc d’essai en charge des moteurs de traction pour éviter des éventuels arrêts des locomotives en service. Ce projet fait l’objet de notre travail.
1.2.1. Principe de fonctionnement des locomotives de la S.N.C.F.T.
La SNCFT utilise des locomotives DIESEL-ELECTRIQUE. En effet, dans ce type de trains, le moteur diesel est accouplé à un générateur électrique (courant continu). Le courant produit par cette génératrice alimente, à une tension variable, des moteurs de traction attaquant directement les essieux.
Les MT étant alimentés en courant continu, la locomotive Diesel-électrique est, en quelque sorte, une centrale productrice de courant accolé à une locomotive électrique à courant continu. Le rendement, bien qu’un peu inférieur à une transmission mécanique, reste néanmoins d’environ 80%.
La transmission électrique présente l’avantage de permettre de disposer, au rendement près, de la totalité de la puissance du moteur Diesel sur une plage très étendue de la gamme des vitesses.
Ce système de transmission laisse de grandes possibilités au point de vue de l’installation et de la répartition des poids, puisque la liaison entre la génératrice et les moteurs se fait par câbles.
Figure 2 : locomotive diesel-électrique
Le moteur diesel et la génératrice principale étant suffisamment puissants, entrainent les quatre moteurs de traction et leur charge, comme sur la figure ci-contre.
Figure 3 : principe de fonctionnement des trains diesel –électrique
1.2.2. Technologies des machines de traction
1.2.2.1. Le moteur de traction
Le moteur de traction pour les locomotives de la SNCFT est une machine à courant continue (c-c), soit à excitation série, soit à excitation composée.
Le moteur série
Le moteur série, comme son nom l’indique, signifie que le bobinage de l’inducteur est branché en série avec l’induit. Le flux d’excitation y est donc implicitement asservi au couple fourni. Le bobinage inducteur comporte, dans ce cas, peu de spires, mais il est réalisé avec du fil de gros diamètre. Cette conception lui procure une très bonne robustesse face aux vibrations et lui a valu un succès inégalé en traction ferroviaire.
La figure suivante montre le branchement d’un moteur série :
Figure 4 : moteur à courant continu à excitation série
La loi d’Ohm appliquée à la maille permet d’écrire :U = (Ri + Rf) I + E ;
L’expression de la force électromotrice est E = KΩI .
Le couple électromagnétique s’écrit : .
La vitesse de l’induit est Ω=K0/I, sous tension constante où K0=U/K.
L’usage du moteur série à courant continu est traditionnel dans les entrainements de traction. Le principal avantage de ce type de moteur est qu’il possède un fort couple de démarrage, ce qui lui permet d’entraîner une bonne charge dès le départ. Il peut également supporter facilement des surcharges temporaires.
En ce qui a trait aux inconvénients, on peut souligner le fait que la vitesse du moteur série varie avec la charge. Ainsi, une augmentation de celle-ci aura tendance à faire diminuer la vitesse de rotation du moteur.
D’autre part, ce type de moteur ne doit jamais tourner sans charge, car cela entraîne une dangereuse augmentation de sa vitesse qui, à la limite, pourrait le détruire, [2].
La SNCFT utilise les moteurs série GENERAL ELECTRIC ou GENERAL MOTORS :
Les moteurs GE sont des moteurs dont les bobines principales et de commutations sont câblées en série.Pour ce type de moteurs on distingue quatre modèles : PA10 ; PA14 ; PA15 ; PA19. Ils sont adaptables aux modèles des locomotives suivantes, en changeant le pignon de l’arbre du moteur :
* DI ; DM ; DN : pour les pignons de 18 dents.
* DK : pour les pignons de 19 dents.
* DP : pour les pignons de 20 dents.
Figure 5 : Moteur traction GENERAL ELECTRIC, type 761
Les moteurs GM ont pratiquement la même constitution que ceux de GE, mais différent par leurs pignons et flasques (DF ; GR12 : pour les pignons de 14 dents et
GT18 : pour les pignons de 18 dents).
Figure 6 : Moteur traction GENERAL MOTORS, type D-29
Le moteur compound
Dans le mode composé (ou compound), l’inducteur est divisé en deux parties, l’une connectée en série et l’autre en parallèle. La force électromotrice et le couple répondent alors aux relations suivantes :
E = Ω (KpIfp + KsI); C = (KpIfp + KsI) I.Où Kp et Ks sont respectivement les constantes obtenues avec l’inducteur parallèle seul et série seul.
Ce mode d’excitation permet de compenser l’influence de la résistance d’induit et de la réaction d’induit. En mode moteur, l’inducteur série est connecté de façon à diminuer le flux lorsque le courant d’induit augmente. Cet effet démagnétisant accélère l’arbre, en opposition avec l’effet de la résistance d’induit.
Ifp et Ifs : courant inducteur respectivement dans l’inducteur parallèle et dans l’inducteur série.
Φp et Φs : flux inducteurs correspondant.
La figure suivante montre le branchement d’un moteur compound :
Figure 7 : moteur à courant continu à excitation composée.
Les moteurs à excitation composée ne sont presque plus utilisés aujourd’hui, car la compensation qu’ils offrent dépend de leur état de saturation ; de plus, l’électronique de puissance permet depuis longtemps de réguler très précisément la vitesse sans recourir à ces artifices. Mais l’atelier de Fathallah fait la maintenance de ce type de moteurs de traction qui sont du métro du Sahel, de chez ANSALDO GANZ.
Figure 8 : moteur traction GANZ, type TC330
Le tableau ci-dessous présente un récapitulatif sur les différents types de moteurs de traction utilisés par les locomotives.
| TYPE | 761PA14 | 761PA15 | D29 | TC330 |
| ENGIN | DP | DM – DJ – DN | DF – GR12 – GT18 | METRO DU SAHEL |
| REGIME CONTINU | 625A-445V-371CV | 605A-402V-388CV | 450A-552V-398CV | 500A-660V-470CV |
| VITESSE MAX (tr/min) | 3100 | 3100 | 2280 | 2200 |
| VITESSE MIN (tr/min) | 675 | 610 | 490 | 1256 |
| POIDS (Kg) | 1941 | 1941 | 2030 ET 2087 | 1800 |
| NOMBRE DE MT | 142 | 292 | 128 | 28 |
| CONSTRUCTEUR | GENERAL ELECTRIC | GENERAL ELECTRIC | GENERAL MOTORS | ANSALDO GANZ |
Tableau 1 : Récapitulatif des caractéristiques des moteurs de traction SNCFT
1.2.2.2. La génératrice principale [3]
La génératrice principale GP est l’organe qui fournit aux moteurs de traction d’une locomotive l’énergie électrique à courant continue (700 v environ). Accouplée au moteur diesel, cette machine est à excitation indépendante.
Le flux dans la machine est créé par le passage d’un courant d’excitation dans les bobines de l’inducteur. Lorsque ce courant continu est fourni par une source indépendante, c’est-à-dire séparée de la machine, on dit que la génératrice est à excitation séparée. La source de courant d’excitation est raccordée aux bornes a et b. Lorsque les deux pôles sont excités et que l’induit est entraîné au moyen d’une turbine ou d’un moteur quelconque, une tension Eo apparaît aux bornes x et y reliée aux balais.
Figure 9 : génératrice à excitation séparée
Figure 10 : circuit électrique inducteur-induit, d’une mcc
Equation Inducteur
Equations Induit
Avec E: en volt (V) ; K : constante en (V.s.rad-1.Wb-1); Ω en (rad.s-1).
Si on augmente le courant d’excitation, la FMM des bobines de l’inducteur augmente, ce qui augmente le flux dans la machine. Par conséquent, les conducteurs coupent un plus grand nombre de lignes par seconde et la tension aux bornes de l’induit (entre les balais) augmente.
Durant cet essai, la vitesse de rotation de la génératrice est maintenue constante. On peut donc faire varier la tension induite à volonté en faisant varier le courant d’excitation. Quand les bornes du circuit d’excitation sont interverties, le courant circule en sens inverse dans les bobines d’excitation, ce qui change le sens des lignes de force. Ce changement entraîne un changement de la polarité de la tension induite.
Lorsqu’on augmente la vitesse de rotation sans faire varier le courant d’excitation, le nombre de lignes coupées par seconde augmente en proportion, ce qui augmente la tension induite. La tension induite Eo est strictement proportionnelle à la vitesse de rotation. Quand on change le sens de rotation, la polarité des bornes x et y change aussi. Lorsqu’on change à la fois la polarité de la tension d’excitation et le sens de rotation, la polarité de la tension induite demeure la même.
On peut représenter le circuit de l’induit par une résistance Ro en série avec une tension Eo, cette dernière représentant la tension induite dans les conducteurs tournants.
Figure 11 : Circuit équivalent de l’induit d’une génératrice
Lorsque la machine fonctionne à vide, la tension E12 entre les balais est égale à la tension induite Eo, car la chute de tension dans la résistance de l’induit est nulle puisqu’il n’y circule aucun courant. Par contre, lorsqu’on relie l’induit à une charge.
Figure 12 : Circuit équivalent de la génératrice en charge.
Le courant de charge I provoque une chute de tension dans la résistance Ro. La tension E12 obtenue entre les balais (et par conséquent aux bornes de la charge) est alors inférieure à la tension induite Eo. Cette dernière demeure fixe si la vitesse et le flux provenant des pôles restent constants. A Mesure que la charge augmente, la tension aux bornes de la charge diminue progressivement, (et la vitesse de rotation de l’induit va diminuer).
Figure 13 : Ca
Ω
ΩN
à vide
Charge nominale
IN
I
Ω
ΩN
à vide
Charge nominale
IN
I
ractéristique en charge d’une génératrice à c.c.
Figure 14: Caractéristique Ω en fonction de I (Φ constant).
D’après la figure précédente on remarque que si la charge augmente le courant induit I augmente et la vitesse de rotation diminue.
La génératrice qu’on va utiliser dans notre banc d’essai est de même type que celle utilisée dans les trains elle est de type 04DM GT601 à excitation séparée sa caractéristique est indiquée sur le tableau suivant :
| Type | Puissance | Tension | Courant | Vitesse | Dimension
Induit |
Dimension
carcasse
|
Poids
|
| 04DM
GT601 |
650CV | 750V | 637A | 1300 tr/min | Diam =0.73m
Long=1.01m |
Diam=1.100m
Long=0.87m |
2858Kg |
Tableau 2 : Caractéristiques de la génératrice GT601
1.3. Problématique
Pour l’essai des moteurs après maintenance, l’atelier des machines tournantes possède un banc d’essai fonctionnel à vide, sous le principe du groupe Ward Léonard.
En effet, Ce dispositif, autrefois très répandu, est l’ancêtre des variateurs de vitesse pour moteur à courant continu. Il est constitué d’un moteur asynchrone triphasé accouplé mécaniquement à un générateur de courant continu lequel alimente un moteur à courant continu (voir figure).
Figure 15 : Synoptique du groupe Ward Leonard
La variation de vitesse s’obtient en réglant l’excitation de la génératrice. Un faible courant de contrôle permet de maîtriser des puissances de plusieurs centaines de kW dans tous les quadrants couple vitesse. Ce type de variateur a été utilisé sur les laminoirs ainsi que sur les ascenseurs de mines. Cette solution de variation de vitesse était la plus performante avant l’apparition des semi-conducteurs qui l’a rendu obsolète, [4].
Le problème majeur du groupe existant est que les grandeurs électriques fournies par la génératrice (une tension de 24 à 170v, pour un courant inférieur à 350 ampères) ; Or, ces caractéristiques n’atteignent même pas la moitié des valeurs nominales des moteurs de traction. Avec ce groupe, l’équipe de maintenance ne pourra qu’observer les caractéristiques de vibration, d’échauffement, et d’isolation.
En outre, le moteur de traction est une machine à courant continu à excitation série, donc ne peut fonctionner libéralement à vide, pour des contraintes de vitesse (emballement) ; ils devront donc prévoir un autre système plus complexe d’accouplement mécanique, qui ne cesse de poser préjudice. Nous noterons aussi le bruit important du groupe convertisseur et la consommation importante d’énergie.
C’est alors que l’équipe a décidé de faire des tests dynamiques sur les moteurs de traction et les génératrices principales ; ces test sont :
La détermination de la vitesse de rotation à différents régimes.
La détermination de la tension à différents régimes.
La détermination de l’intensité à différents régimes.
La surveillance de la température.
La surveillance de l’isolement.
La détermination des résistances des enroulements.
Conclusion
En somme, ce chapitre nous a permis de présenter l’organisme qui nous a accueillit pour ce projet, une introduction au thème à traiter, une présentation des machines de traction SNCFT, et l’exposition de la problématique principale pour l’essai en charge de ces moteurs.
Le chapitre suivant portera sur l’état de l’art d’un banc d’essai pour moteur électrique, et une présentation du cahier des charges.
