MÉMOIRE DE FIN D’ÉTUDES - Cours et...

École Nationale de l’Industrie Minérale (E.N.I.M.)

Rabat

MÉMOIRE DE FIN D’ÉTUDES

Présenté

en vue de l’obtention du titre :

INGÉNIEUR D’ÉTAT

Par

Ahmed LACHHAB & Anass EL KHADIRI

Département : ÉLECTROMÉCANIQUE

Option : Maintenance Industrielle

Sujet :

Conception et étude d’un banc d’essai

en charge pour les moteurs de traction (ONCF d’OUJDA)

Jury:

Président : M. M. ZAOUI (ENIM)

Directeur : M. A. EL HASNAOUI (ENIM)

Membre : M. K. LAKBAKBI EL YAKOUBI (ENIM)

Parrain : M. M. KABDANI (ONCF)

2010 - 2011

Je dédie ce travail :

D’abord à mes chers parents qui m’ont toujours soutenu grâce

à leurs précieux conseils et encouragements ;

A ma chère sœur et sa famille qui m’ont beaucoup aidé, et dont

l’affection et l’amour demeurent les symboles d’une excellente

fraternité ;

A tous mes amis, et particulièrement; F. IDELHACHMI, M. JAYADI,

A. AMZIL, M. AYASSOR et J. MEKNGAM ;

A toute ma famille paternelle et maternelle en témoignage de

ma reconnaissance.

Anass

Je dédie ce travail à :

À mes chers parents ;

À ma famille ;

À tous mes amis.

Ahmed

Nous avons le grand plaisir de pouvoir exprimer nos gratitudes, nos reconnaissances et notre grand respect à notre encadrant M. EL HASNAOUI et à tous nos professeurs à l’ENIM.

Nous exprimons notre sincère remerciement à tous les responsables de l’ONCF qui nous ont accordé la chance de passer notre stage dans des bonnes conditions au sein de leur établissement, en particulier : M. LAHSINI Chef de l’EMIO

M. KABDANI Chef de production

M. MISSAOUI Chef d’atelier matériel moteur

Toutes les équipes de maintenance à l’atelier Matériel Moteur, ainsi que le

Service Technique.

Vu le rôle primordial que jouent les essais sur les moteurs de traction pour évaluer

leurs performances et détecter leurs anomalies, il nous a été demandé de concevoir

un banc d’essai en charge pour ces moteurs. Ceci dans le but d’amélioration de la

maintenance des locomotives.

Pour mener ce projet nous avons d’abord défini le problème posé après la

maintenance des locomotives. Après nous avons identifié les paramètres du moteur

de traction par estimation puisqu’ils ne sont pas disponibles. Puis nous avons proposé

des solutions pour simuler la charge tractée par les moteurs. Ensuite nous avons

étudié et dimensionné la partie électrique de la solution adoptée. Enfin nous avons

proposé des solutions théoriques d’un châssis de fixation à l’aide du logiciel Solid

Works.

MT Moteur de traction

MDZ Moteur Diesel

AR10 Alternateur principal de traction

GA Génératrice auxiliaire

MCC Machine à courant continu

Figures / Tableaux Descriptions Pages

Figure 01 L’organigramme de l’ONCF 3

Figure 02 Organigramme de l’EMIO/Atelier matériel Moteur 4

Figure 03 Types des locomotives maintenues par l’EMIO 5

Figure 04 Schéma des blocs fonctionnels de la locomotive 7

Figure 05 Emplacement des essieux 8

Figure 06 Moteur de traction 8

Figure 07 Essieux 8

Figure 08 La carcasse 9

Figure 09 Le rotor 9

Figure 10 Modélisation de la MCC 10

Figure 11 Diagramme pieuvre 12

Figure 12 Schéma fonctionnel de la 1ére

solution proposée 14

Figure 13 Schéma électrique de la 1ère


Figure 14 Schéma fonctionnel de la 2ème


Figure 15 Schéma fonctionnel de la 3ème


Figure 16 Arbre de puissance de la MCC 18

Figure 17 Réducteur MT/roue 19

Tableau 01 Récapitulation des caractéristiques du MT 21

Figure 18 Hacheur parallèle 21

Figure 19 Schéma électrique du hacheur parallèle 21

Figure 20 Pont de doides 22

Figure 21 Symboled du redresseur 22

Figure 22 Groupement des éléments de la solution adoptée 22

Figure 23 Schéma électrique du hacheur parallèle 24

Figure 24 Tenstion à l’entrée du hacheur parallèle 24

Figure 25 Tension à la sortie du hacheur parallèle 24

Figure 26 Courant lissé à l’inductance 26

Figure 27 Tension et courant aux bornes du condensateur 26

Figure 28 Schéma du redresseur PD3 27

Figure 29 Modèle pour la composante continue de la tension 27

Figure 30 Modèle pour la composante alternative de la tension 27

figure 31 Schéma équivalent du transformateur vu au secondaire 29

figure 32 Méthode du dimensionnement du transformateur 30

Tableau 02 Dimensionnement du transformateur 30

Tableau 03 Relevé des valeurs par simulation sur PSIM 31

figure 33 Simulation du couple et de la vitesse avec PSIM 32

figure 34 Schéma de puissance et de commande 33

figure 35 Symbole sectionneur porte fusible 34

Tableau 04 Tension et courant assignés pour les éléments de protection 34

figure 36 Symbole technique du contacteur 35

figure 37 Schéma du neutre IT 35

figure 38 Chapeaux 38

figure 39 Nez de suspension 38

figure 40 Emplacement du système se suspension 38

figure 41 Pièce à plan incliné 39

figure 42 Table support pour les pièces à plan incliné 40

figure 43 Bloc à pattes 41

figure 44 Distance entre les éléments 41

figure 45 Assemblage des éléments du châssis 42

figure 46 Nez avant du MT 43

figure 47 Assemblage ; deux MTs + châssis 43

Tableau 05 Estimation des coûts des éléments électriques 45

Dédicace

Remerciements

Résumé

Table des abréviations

Table des matières

Introduction générale 01

Chapitre premier : Organisme d’accueil

1-Présentation de l’ONCF 03

2-L’organigramme de l’ONCF 03

3-Présentation de l’EMIO 04

4-L’organigramme de l’EMIO 04

5-L’atelier Matériel Moteur 05

6-Les locomotives maintenues par l’EMIO 05

Chapitre II : Description des locomotives / Problème posé

1-Fonctionnement des locomotives 07

2-Les moteurs de traction 09

3-La modélisation de la MCC 09

4-Problème Posé 11

5-Analyse fonctionnel 12

Chapitre III : Solutions proposées 13

Chapitre IV : Etude de la solution adoptée

1-Description de la solution 18

2-Les éléments constituants de la solution adoptée 18

Chapitre V : Choix et dimensionnement des composantes

1-Cahier des charges / hypothèses 24

2-Le hacheur parallèle 24

3-Le redresseur 27

4-Le transformateur 29

5-Le courant d’excitation de la génératrice 31

6-Eléments de protection et de commande 32

Chapitre VI : Châssis et ses accessoires: Suggestions théoriques

1-Le châssis 38

2-Choix de l’accouplement / contraintes 42

3-Le refroidissement 43

4-Les capteurs 44

5-La détection des défauts 44

6-Estimation du coût du éléments électriques utilisés 45

Conclusion générale 46

Annexe 47

Banc d’essai en charge pour les moteurs de traction ENIM / ONCF

1

Les ateliers de l’Etablissement de Maintenance Industrielle d’Oujda (EMIO) effectuent

tous les travaux de maintenance préventive et corrective des trains. Ils ont pour mission

de veiller à la bonne tenue du parc locomotives, fourgons et voitures, qui nécessitent

un suivi minutieux afin d’assurer leur fonctionnement dans les bonnes conditions et par

la suite leur permettre d’atteindre les performances requises.

Pour réaliser ces fonctions, l’EMIO se lance dans un projet ambitieux afin d’améliorer

la maintenance des locomotives. C’est dans cette perspective que s’inscrit notre projet

de fin d’études, qui consiste en l’étude et la conception d’un banc d’essai en charge

pour les moteurs de traction, aussi qu’à la suggestion des solutions théoriques d’un

châssis permettant la fixation de ces moteurs.

Dans le 1er chapitre nous allons présenter d’abord l’Office National des Chemins de

Fer, ensuite présenter l’Etablissement de Maintenance Industrielle d’Oujda, et par la

suite l’atelier Matériel Moteur où nous avons effectué notre stage.

Le 2éme chapitre sera consacré à une vue générale sur le circuit électrique des

locomotives, à la composition des moteurs de traction, au problème rencontré après

leur maintenance. Et montrer enfin à la nécessité d’un banc d’essai.

Dans le 3ème chapitre, nous allons proposer trois solutions au problème posé et en

choisir la bonne. Les chapitres 4 et 5 seront consacrés à l’étude électrique de la solution

adoptée. Le dernier chapitre sera des propositions théoriques d’un châssis mécanique

et de ses accessoires.


2


3

1-Présentation de l’ONCF

L’Office National des Chemins de Fer (ONCF) a été créé en 1963 par le Dahir

n° 1.63.225 du 05 août 1963, c’est lorsque le gouvernement marocain a décidé le rachat

des concessions de trois compagnies privées qui s’occupaient de la construction des

voies. Cet office est un établissement public à caractère industriel et commercial doté

de la personnalité civile et de l’autonomie financière.

L’ONCF qui emploie actuellement environ 10500 agents, gère et exploite un réseau

de 1907 km de lignes, dont 1537 km à voie unique (80%) et 370 km à double voie (20%).

Ce réseau comporte également 528 km de voie de service et 201 km de ligne

d’embranchements particuliers reliant diverses entreprises au réseau ferré national. A

noter que 53% de la longueur totale du réseau, soit 1003 km, est électrifiée à 3000 volts

continu, alors que 904 km sont exploités en traction Diesel.

L’ONCF opère sur trois marchés stratégiques indépendants à savoir :

Le transport des voyageurs ;

Le transport du frêt (marchandises diverses) ;

Le transport des phosphates.

2-L’organigramme de l’ONCF

DIRECTION GENERALE

MAINTENANCEMATERIEL

VOYAGEURS FRET ET LOGISTIQUEIINFRASTRUCTURE ET

CIRCULATIONDEVELOPPEMENT

Finances et contrôle de gestion

Chargés de mission

Stratégie, Sourcing et Communication

SECURITE ET CONTROLE

Inspection Sécurité

RH et Affaires Juridiques

Systèmes d'information

Figure 01 : L’organigramme de l’ONCF


4

3-Présentation de l’EMIO

L’Etablissement de Maintenance Industrielle d’Oujda (EMIO) est un établissement

ferroviaire de l’ONCF, régional de la Direction Centrale Activités Clients (DCA), implanté

au nord ouest d’Oujda, préfecture Oujda Angad, commune de Sidi Ziane.

4-L’organigramme de l’EMIO

Figure 02 : Organigramme de l’EMIO/Atelier matériel Moteur


5

5-L’atelier Matériel Moteur

Nous avons effectué notre stage à l’atelier Matériel Moteur. Cet atelier s’occupe de la

maintenance préventive et corrective des locomotives de type Diesel électrique

(DH/DK/DI). Il se compose de cinq unités principales (voir Organigramme de l’EMIO) et

complémentaires entre elles afin d’assurer le bon fonctionnement des locomotives, tout

en respectant les normes de la sécurité et de la qualité.

6-Les locomotives maintenues par l’EMIO

Le tableau ci-dessous présente les trois types de locomotives dont l’atelier fait la

maintenance.

Constructeur : General Motors USA Série Puissance Vitesse

maximale Utilisation

DH 3040 CV

125 km/h

(Voyageurs)

et 105 km/h

(Frêt)

Ligne

DK 2000 CV 105 km/h

Ligne

+

Manœuvre

DI 1000 CV 85 km/h Manœuvre

Figure 03 : Types des locomotives maintenues par l’EMIO


6


7

1-Fonctionnement des locomotives

Les trois types des locomotives Diesel électrique se diffèrent du point de vue

puissances et performances, mais leurs principes de fonctionnement sont identiques.

Le schéma ci-dessous donne une idée globale sur le principe de fonctionnement des

locomotives DH.

Figure 04 : Schéma des blocs fonctionnels de la locomotive

Le moteur Diesel est la source de puissance de la locomotive, il entraîne l’alternateur

principal (AR10) qui alimente les moteurs de traction. Ces derniers engrènent avec les

essieux afin d’avoir la traction du train.

Batteries Démarreurs

Moteur Diesel

Alternateur

AR10 Alternateur D14

Ventilateurs / radiateurs

Redresseur Redresseur

Moteurs de traction

(excitation série) Moteur filtre à inertie

Essieux Éclairage

Pompe turbo

Pompe à gasoil

Génératrice auxiliaire

GA (auto-excitation)

Alimentation électrique

Excitation électrique

Entraînement mécanique


8

2-Les moteurs de traction

Les locomotives de type DH et DK disposent de six essieux. Or les types DI disposent

de quatre essieux. Chaque essieu est entrainé par un MT.

Figure 05 : Emplacement des essieux

Figure 06 : Moteur de traction

Figure 07 : Essieu

Ces moteurs sont des machines à courant continu, à excitation série, qui peuvent

fonctionner en tant que :

Moteurs, à excitation série, lorsque la locomotive tracte les wagons,

Génératrices du courant continu en phase de freinage.

Un MT dispose principalement de :

Une carcasse : Support en acier moulé, contenant à l’intérieur les noyaux

magnétiques et les portes balais. Munie, à l’extérieur, d’un nez de fixation sur

le bogie de la locomotive et de deux zones creuses où l’essieu est logé.

Quatre bobines inductrices principales : Pour créer le champ magnétique

d’induction.

Quatre bobines secondaires : bobines de compensation pour neutraliser la

réaction magnétique d’induit.

Quatre porte-balais : portent les balais en charbon et assurent le passage du

courant vers le collecteur de l’induit.


9

Un induit bobiné : Arbre tournant sous l’effet du champ magnétique lorsqu’il

est traversé par un courant continu. Il porte à son bout le collecteur à lames

isolées entre eux. Avec deux roulements qui facilitent sa rotation et un pignon

d’engrènement avec l’essieu.

Quatre fils d’alimentation.

Deux roulements coniques pour le guidage en rotation du rotor.

Un pignon moteur pour la transmission de la rotation.

Fig 08 : La carcasse Fig 09 : Le rotor

Le MT est en excitation série, ceci permet d’avoir un couple de démarrage très

important, ce qui est fortement demandé pour la traction ferroviaire. Mais

l’inconvénient et le risque majeur d’un moteur à excitation série est l’emballement s’il

est alimenté par sa tension nominale alors qu’il n’est pas chargé!! C’est le cas d’un essai

à vide.

3-La modélisation de la MCC

Le MT est une machine à courant continu, qui peut être modélisée par le schéma et

les équations ci- dessous :

Figure 10 : Modélisation de la MCC


10

11 1 1

22 2 2

2

2 1

Tension d'induit

Tension inducteur

Force électromagnétique

Couple électromagnétique

Pui

.

( )

( )

dIU E R I L

dt

dIU R I L

dt

E k I

C k I I

ssance utile

Principe fondamental de la dynamique

u

r

P C

dC C J

dt

Pour un moteur à excitation série :

1 2

1 2 1 2( ) ( )

. .

. ²

I I I

dIU E R R I L L

dt

E K I

C K I


11

4-Position du problème

La maintenance des MTs est parmi les opérations effectuées par l’atelier Matériel

Moteur à l’unité électrique. Ceci passe forcément par plusieurs étapes :

L’entrée de la locomotive à l’atelier,

Le levage de la locomotive à l’unité mécanique,

Le décablage des MTs

La dépose des MTs et leur déplacement vers l’unité électrique,

Effectuer les opérations de la maintenance,

Remonter les MTs à la locomotive.

Ces étapes nécessitent bien sûr un temps remarquable (au moins 3 jours), la

mobilisation des équipes de différentes spécialités, la consommation de l’énergie vu le

poids lourd des composantes de la locomotive, et sans oublier les consignes de sécurité

pour chaque opération.

Actuellement, seul l’essai à vide se fait pour les MTs (avec 10% de l’alimentation

nominale) avec un contrôle de la température et de l’isolement des bobines.

Les défauts souvent rencontrés sont :

des défauts des roulements qui sont détectés par l’augmentation excessive de

la température pendant l’essai à vide,

le défaut d’isolement des bobines qui est détecté à l’aide d’un mégohmmètre

Il arrive parfois que le test d’un MT - après l’essai à vide - donne des résultats

conformes ; mais après son montage dans la locomotive et la mise en route, une ou

plusieurs anomalies y apparaissent. Par conséquent il ne sera plus alimenté, la puissance

et la vitesse de la locomotive diminuent alors; ce qui engendre des perturbations et des

retards de lignes. Ce qui est indésirable.

L’essai à vide est alors insuffisant pour évaluer les performances d’un MT ou détecter

toutes ses anomalies qui peuvent exister après sa maintenance. Car le moteur n’est pas

chargé et ne fournit pas sa puissance totale.

Il est alors nécessaire de faire fonctionner le MT en charge, à des conditions proches

de ceux dans la phase de traction. D’où notre étude qui sera alors de concevoir une

charge fixe que va entrainer le MT pour pouvoir le faire fonctionner à une puissance

proche du nominale. Et pouvoir détecter les défauts courants ; notamment les défauts

d’isolement et des roulements.


12

5-Analyse fonctionnel

Le diagramme pieuvre nous permettra de déterminer les liaisons du banc d’essai avec

son milieu extérieur.

Figure 11 : Diagramme pieuvre

F1 : Le banc permet à l’unité de maintenance d’essayer le moteur en charge.

F2 : Le banc assure la sécurité des personnes et du matériel.

F3 : Le banc respecte l’environnement.

F4 : La réalisation et l’exploitation sont économiques.

Le banc d’essai en charge est donc un moyen permettant d’améliorer la maintenance

en évaluant les performances d’un MT et en détectant ses anomalies s’ils existent,

pendant le test et non pas après son pénible montage sur la locomotive. Par

conséquent, diminuer sa défaillance au chemin et réduire le temps d’indisponibilité de

la locomotive.

F1

F4

F3 F2

Banc d’essai en charge

Sécurité

Environnement

Economique

Moteur de traction

Unité de maintenance électrique


13


14

L’essai en charge nécessite la présence d’un couple résistant qui s’oppose au

mouvement. Cela peut être :

Une masse mécanique équivalente à la masse du train, ceci n’est pas pratique vu

la grande masse tractée (plus que 1000 tonnes).

Un couple de frottement appliqué à l’arbre moteur par un frein à poudre. Ceci

n’est utilisé que pour les petites puissances.

Un couple électromagnétique créé par une génératrice. Cette solution sera

adoptée.

L’inducteur de la génératrice proposée sera alimenté par un courant continu afin de

donner un couple résistant. D’autre part, l’induit fournira un courant continu qui doit

être dissipé ou bien récupéré. On propose trois solutions :

1. Débiter dans une résistance via un hacheur parallèle,

2. Renvoyer l’énergie vers le réseau via un onduleur autonome,

3. Renvoyer l’énergie vers l’entrée du moteur.

1-Débiter dans une résistance

Figure 12 : Schéma fonctionnel de la 1ére solution proposée

Le choix de la résistance se fait en prenant en compte la valeur maximale de la

tension que nous imposons à la résistance. De plus notre résistance est variable de

façon à faire varier le courant. Pour une tension imposée à ses bornes, si R diminue, le

courant de sortie croit.

Liaison mécanique MT à tester

(Moteur)

MT référence

(Génératrice) Réseau

Excitation séparée

Redresseur

Hacheur parallèle Résistance


15

Figure 13 : Schéma électrique de la 1ère solution proposée

On fait un transfert de puissance

2

(1 )

(1 )

(1 ) R

rm m m r

rm

req

m

UU I I U

r

UI

r

Ur

I

Donc la résistance est variable et dépend du rapport cyclique (𝛼). Cette solution est

simple à réaliser, mais l’inconvénient est que l’énergie est dissipée et non exploitée.

2- Le renvoi l’énergie vers le réseau

Le renvoi l’énergie vers le réseau via un onduleur autonome tout thyristor. Cette

solution à l’avantage qu’on récupère l’énergie, mais le problème est que ce courant

restitué n’est pas parfaitement sinusoïdal.

Figure 14 : Schéma fonctionnel de la 2ème solution proposée

Liaison mécanique MT à tester

(Moteur)

MT référence

(Génératrice) Réseau


Redresseur

Onduleur


16

3-Le renvoi de l’énergie vers l’entrée du moteur

Le renvoi de l’énergie vers l’entrée du moteur via un hacheur. Cette solution permet

la récupération de l’énergie vers le moteur sans avoir problèmes d’adaptation du

courant généré avec celui du réseau. Nous adopterons donc cette solution.

Figure 15 : Schéma fonctionnel de la 3ème solution proposée

Nous souhaitons à partir de cette solution faire tourner deux MTs (moteur +

génératrice) à une seule vitesse et un seul couple. Cela est suffisant pour pouvoir

détecter les anomalies souvent rencontrées (défaut d’isolement des bobines et défaut

des roulements).

Récupération d’énergie

Liaison mécanique MT

(Moteur)

MT

(Génératrice) Transformateur


Redresseur


17


18

1-Description de la solution

Pour que la solution soit économique, nous proposons utiliser deux MTs. Cela

consiste à utiliser l’un comme moteur et l’autre comme génératrice pour créer le couple

résistant. On pourra alors tester deux MTs à la fois.

2-Les éléments constituants de la solution adoptée

Le MT (moteur et génératrice)

Le MT en régime nominal est alimenté par une tension de 1240 V avec un appel de

courant de 1050 A.

Nous allons essayer de détermination les caractéristiques du MT au régime nominale

i. Détermination des résistances

Puisque nous ne disposons pas des valeurs exactes des résistances, nous allons les

estimer à partir de la puissance. Nous supposons que le rendement global du MT est de

96%.

Nous supposons aussi que les pertes dans les résistances du MT sont estimées par 1%

de la puissance absorbée.

Figure 16 : Arbre de puissance de la MCC

1 2

1 2

( ). ² 0.01

0.01 0.01 1302000

² 1050²

a

a

R R I P

PR R

I

1 2 11.8 mR R

Puissance utile = rendement*Pa=1 249 920 W

E*I Puissance absorbée

Pa=U*I=1240*1050=1302 kW

Pertes joules

(R1+R2)I²

Pertes mécaniques + pertes fer


19

ii. Calcul de la vitesse du moteur à 100 km/h

Nous souhaitons calculer la vitesse de rotation du MT lorsque le train se déplace à

100 km/h. On suppose que les roues sont mi-usées.

Figure 17 : Réducteur MT/roue

Posons

Vt : La vitesse linéaire de la roue, la vitesse du train (m/s)

R : Le rayon de la roue (m)

𝜔 : La vitesse de rotation (rad/s)

𝜌 : Le rapport de réduction ( 17

60 )

La vitesse linéaire est exprimée par Vt=R×ω roue = R× ρ ×ω moteur

Alors ω moteur = Vt/(R × ρ)

A.N. ω(moteur) = 100

3.6∗

10.965

2 *

17

60

= 203.19 rad/s

= 203.19 ∗60

2𝜋 = 1941 tr/min

Alors, lorsque le train se déplace à une vitesse de 100 km/h, le moteur de traction

tourne à une vitesse de 1941 tr/min.

Roue (mi-usée)

(∅ 965 mm)

Pignon moteur

(17 dents)

Rail

Roue dentée

(60 dents)


20

iii. Calcul du couple à 100 km/h

60 60 1249920

2 2 1940

u uP PC

N

C = 6220 N.m

iv. Calcul des inductances

1 2. ² ( ) ²C K I L L I

1 2

6220

² 1050²

CL L

I L1+L2 = 5.58 mH

v. Moment d’inertie du rotor

² 800*0.15

2 2

m rJ

J = 9 kg.m²


21

3-Tableau récapitulatif des caractéristiques du MT

Tension nominale 1240 V

Courant nominal 1050 A

Vitesse de rotation (à 100 km/h) 1940 tr/min

Rendement 0.96

Puissance absorbée 1302 kW

Puissance utile 1262.94 kW

Couple utile 6155 N.m

La somme des résistances 11.8 mΩ

La somme des inductances 5.58 mH

Moment d’inertie du rotor 9 kg.m²

Tableau 01 : Récapitulation des caractéristiques du MT

Hacheur parallèle

Le hacheur parallèle permet d’alimenter une source de tension continue

(l’alimentation du moteur) à partir d’une source de courant continu (la génératrice). Ce

qui permet la récupération de l’énergie.

Figure 18 : Hacheur parallèle

Le Hacheur parallèle est composé de :

Une diode

Un interrupteur commandé

Un condensateur pour le lissage de la tension

Une inductance pour le lissage du courant

Hacheur parallèle

Alimentation

(Source de tension continue)

Génératrice

(Source de courant continu)

Figure 19 : Schéma électrique du

hacheur parallèle


22

Pont de diode

Selon le sens de rotation du rotor de la génératrice, le courant à sa sotie peut être

positif ou négatif. Or nous souhaitons avoir dans les deux cas un courant positif. Pour

cela un pont de 4 diodes pourra résoudre le problème.

Figure 20 : Pont de doides

Redresseur

L’alimentation du MT doit être continue, or nous disposons d’une alimentation

aternative au réseau. Le redresseur nous permettra d’avoir l’alimentation continue à

partir de l’alternative.

figure 21 : Symbole du redresseur

Transformateur

L’alimentation alternative disponible est de 380 V (triphasée composée). Or le MT a

besoin d’une alimentation de 1240 V continu. Nous aurons besoin donc d’un

transformateur élévateur.

Le schéma ci-dessous montre le groupement des éléments de la solution.

Figure 22 : Groupement des éléments de la solution adoptée

=

~


23


24

1-Cahier des charges / hypothèses

Le MT sera alimenté par une tension de 1240 V, le courant appelé sera alors de 1050 A.

Nous souhaitons ainsi avoir un taux d’ondulation de 1%

On définit le taux d’ondulation ∆X d’une grandeur X par max min

moy

X XX

X

L’alimentation disponible à l’atelier est de 380 V/220 V, 50Hz

On suppose que les chutes de tension relatives (∆UT) dans le transformateur sont de

3%, et les pertes cuivre relatives (Pc) sont de 2%.

2-Le hacheur parallèle

Pour le contact commandé du hacheur, notre choix s’est porté sur l’IGBT (Transistor

bipolaire à porte isolée) car celui-ci permet de travailler à fort courant avec une

commande simple à mettre en œuvre.

Le hacheur donne, à partir d’une tension continue d’entrée (U), une tension continue

variable (Ud) à sa sortie, en fonction du rapport cyclique α

1

UUd

avec 𝛼 =

𝑇 𝑜𝑛

𝑇

Figure 23 : Schéma électrique du hacheur parallèle

Figure 24 : Tenstion à l’entrée du hacheur parallèle

Figure 25 : Tension à la sortie du hacheur parallèle

Le dimensionnement du hacheur revient à dimensionner l’IGBT et la diode.

Le courant et la tension maximaux dans la dide et l’IGBT sont ceux de la charge.

Pour notre cas, la tension aux bornes de la charge qui est le moteur est de 1240 V et le

courant est de 1050 A


25

i-Tension et courant maximaux pour l’IGBT et la diode

Nous prenons deux coefficients de sécurité pour protéger le convertisseur IGBT et la

diode ;

x2 pour la tension, ce qui donne 1240 * 2 = 2480 V

x1.5 pour le courant, ça donne 1.5 * 1050 = 1575 A

ii-Dimensionnement de l’inductance l

Nous souhaitons avoir un courant à la sortie du hacheur dont l’ondulation est de 1%.

Phase 1 : 0 t T K est fermé, donc uK = 0

( )ldi t

U ldt

Équation différentielle du premier ordre à coefficients constants.

Condition initiale :

l minen t = 0; i (t) = I

Donc : min( ) Il

Ui t t

l

Phase 2 : T t T K est ouvert et il ≠ 0, donc uK = uD

0

( )lD

di tU l U

dt

Équation différentielle du premier ordre à

coefficients constants.

Condition initiale :

l maxen t = T; i (t) = I

Donc : 0max( ) . ID

l

U Ui t t T

l

Ondulation du courant dans la source ∆Il :

min

0max

0

0 ( ) . I

( ) . I

1

l

dl

d

l

UPour t T i t t

l

U UPour T t T i t t T

l

UUDonc I

lf lf


26

Figure 26 : Courant lissé à l’inductance

Ondulation maximale pour : 0d I

d

alors 0.5 donc maxI

4 c

U

l f

Pour notre cas, on choisit mI 1%ax et f=10 kHz ce qui donne l=3 mH

iii-Dimensionnement du condensateur C

Nous souhaitons avoir une tension à la sortie du hacheur dont l’ondulation est de

1%.

On tient compte désormais de l’ondulation de la tension Ud(t). Cette ondulation est

due à la composante alternative du courant dans la charge.

Figure 27 : Tension et courant aux bornes du condensateur

0max

0max

0 0max min

Pour 0 on a : ( ) .

Donc, en t T, on a : ( ) .

(1 )Soit, en fait : =

dS

dS

d lS

It T v t V t

C

Iv t T V T

C

I IV V V

Cf Cf

L’ondulation est maximale pour : 0Sd V

d

alors 0.5 donc max

4

lIVfC

Pour notre cas, on choisit m 1%axV et f=10 kHz ce qui donne C = 22 mF


27

3-Le Redresseur

Le récepteur (MT) a besoin d’une alimentation constante. Notre choix se porte alors

le redresseur triphasé à diodes PD3, composé de six diodes, et qui a comme avantage

un bon facteur de puissance.

Dans le schéma ci-dessous le montage du redresseur PD3

Figure 28 : Schéma du redresseur PD3

Ce montage peut être modélisé par superposition des deux montages suivants :

sin 2Udo vd U

Id t tR Z

Ud

Id

Figure 30 : Modèle pour la

composante alternative de la tension Figure 29 : Modèle pour la composante

continue de la tension

0.12Ud Vm

1.64Udo Vm

1

2

3

sin( )

2sin( )

3

2sin( )

3

m

m

m

V V t

V V t

V V t


28

Les paramètres d’un redresseur PD3 :

Tension moyenne redressé 3 3 1.64Vm

Udo Vm

Tension alternative redressée 3 3

1 0.122 2

Ud Vm Vm

La tension inverse maximale pour une diode : 3Vin Vm

Courant moyen d’une diode : 3

moy

IdId

Courant efficace dans une diode : 3

eff

IdId

Courant efficace secondaire 2

3effIs Id

Fréquence de redressement 6redf f

Facteur de puissance au primaire et au secondaire 0.955Fp Fs

Tension de seuil d’une diode : Vd

Le choix d’une diode revient à déterminer

Le courant maximal : FSM maxI Id 1050A

Le courant moyen : FAV moyI Id 350A

Le courant efficace : D eff I Id 606A

La tension inverse maximale : RRMV 1310Vin V

D’après le catalogue SEMIKRON (voir annexe) la diode «SEMIKRON SKR 240/14» est

convenable.

Cette diode a pour caractéristiques :

Tension de seuil Vd=1.4 V

Résistance dynamique Rd=0.6 mΩ


29

i- Le filtre du redresseur

Nous souhaitons avoir une ondulation de courant ∆Id=1%*Id=10 A

Or 6 6 2F

UdId avec f

L

Donc 6

F

UL

Id

4.8 mHFL

4-Le transformateur :

Le transformateur élévateur sera :

Triphasé car il s’agit de la grande puissance (supérieur à 20 kVA)

Couplage triangle-étoile puisque le courant au primaire sera élevé.

La modélisation du transformateur

Figure 31 : Schéma équivalent du transformateur vu au secondaire

La résistance équivalente d'une phase ramenée au secondaire

2

2

1

( )s p L d

nr r r r r

n

L’inductance équivalente d’une phase ramenée au secondaire

2

1

2

( )s p L

nL L L L

n

Le dimensionnement du transformateur revient à calculer sa puissance apparente en

passant par ses impédances. Pour cela, la méthode ci-dessous est suivie.


30

Figure 32 : Méthode du dimensionnement du transformateur

Ce tableau Résume les résultats des calculs concernant le transformateur

Tension nominale (V) Udo 1 240

Courant nominal de la charge (A) Id 1 050

Puissance nominale de la charge (kW) Pn=Udo*Id 1 302

Tension maximale au secondaire (V) Vm=Udo/1,65 756

Courant efficace secondaire (A) Iseff=Id*√(2/3) 857

Facteur de puissance de PD3 Fp=Fs=P/S 95,5%

Chute de tension ∆UT 3%

Les impédances (mΩ) Lω=(Vm*∆UT)/(141*Ieff) 0,27

r=(Vm*Pc*Fs)/(141*Ieff) 0,17

Les chutes de tension au transformateur (V) ∆UL=3*Lω*Id/pi 0,27

∆Ur=2*(r*Id) 0,36

Chute de tension dans les diodes (V) ∆Ud=2*(Vd+Rd*Id) 4.06

Pertes(W) (∆UL+∆Ur+Vd)*Id 4 922

Rapport de transformation m=Vm/(Up*√2) 1.41

On prend m=1.5

Courant efficace primaire(A) Jpeff=m*Ieff 909

Courant efficace primaire ligne (A) Jpeff*√3 1 575

Puissance apparente secondaire(VA) Sas=(Pn+pertes)/Fs 1 368 504

Choix 1 600 kVA

Tableau 02 : Dimensionnement du transformateur

Le transformateur sera d’une puissance apparente de 1600 kVA et un rapport de

transformation de 1.5

Choix du transfo Vp, Vs S

S=Sap si Sap> Sas ou S=Sas si Sas> Sap

Calcul des puissances apparentes du primaire et secondaire Sap et Sas

Courant efficaces Ip et Fp

Rapport de transformation m=Ns/Np

Calcul des chutes de tension uL , ur, Vd

Calcul des impédances

Calcul Vm , Iseff et Fs

,141 141

T

ff ff

UVm Vm PcL r Fs

Ise Ise

2

Vmm

Vp

,

uL ur Diode

Pn pertesSas

Fs

Pn pertesSap

Fp

perte Id


31

5-Le courant d’excitation de la génératrice

Nous souhaitons que la génératrice génère un couple résistant de 6220 N.m. Ce

couple dépend du courant à la sortie de la génératrice et du courant d’excitation.

Pour un courant d’excitation constant qui est le courant nominal (1050 A), le couple

résistant dépend donc que du courant à la sortie de la génératrice selon les relations

suivantes :

R

EgUmIg

donc

TttonUmdt

dIgLRIgEg

tontdt

dIgLRIgEg

moy

1

00

o R : résistance d’induit de la génératrice

o Ig : courant à la sortie de la génératrice

o Eg : tension à la sortie de la génératrice

o : rapport cyclique du hacheur parallèle

Pour une tension moteur (Um) constance, on régle le courant (Ig), donc le couple

résistant (Cr) par action sur () du hacheur paralèlle.

À l’aide de la simulation sur le logiciel PSIM, nous avons donné le tableau suivant

(vitesse, couple, =t on/T et le rapport cyclique du hacheur parallèle)

.

Valeurs souhaitées --> 1940 6220

α Excitation (A) Vitesse (tr/min) Couple (N.m)

0,30 1050 1230 13800

0,20 1050 1636 9540

0,10 1050 1820 7605

0,05 1050 1945 6800

0,07 1050 1890 7137

0,08 1050 1870 7288

0,09 1050 1850 7440

Tableau 03 : Relevé des valeurs par simulation sur PSIM

Pour une vitesse de 1940 tr/min, nous avons trouvé un rapport cyclique du hacheur

de 0.05.


32

Figure 33 : Simulation du couple et de la vitesse avec PSIM

6-Eléments de protection et de commande

Il est nécessaire de protéger le circuit électrique du banc ainsi que les personnes

contre les dangers électriques, qui peuvent être

un court circuit provenant du moteur à cause d’un mauvais isolement entre ses

bobines ou bien sur ses bornes,

un défaut de masse,

une surcharge (surintensité).

Nous proposons le schéma de puissance e0t de commande ci dessous :


33

Figure 34 : Schéma de puissance et de commande


34

A-Le sectionneur porte fusible

Le sectionneur est un appareil électromécanique permettant de séparer, de façon

mécanique, un circuit électrique et son alimentation, tout en assurant physiquement

une distance de sectionnement satisfaisante électriquement. Ceci est nécessaire pour

assurer la sécurité des personnes travaillant sur la partie isolée du réseau électrique. Il

n’est jamais manipulé en charge.

Les critères de choix du sectionneur :

Nombre de pôles : nombre de contacts de puissance.

- tripolaire : 3 contacts (triphasé),

Tension assignée d’emploi : tension maximale applicable entre 2 pôles de l’appareil.

Calibre : intensité maximale que peut supporter l’appareil pendant un temps illimité.

Fusible gG (à usage général) ou aM (accompagnement moteur) en fonction de la

charge

Figure 35 : Symbole sectionneur porte fusible

Pour notre cas, nous disposons de deux sectionneurs portes fusibles gG en amont et

en aval du transformateur pour le protéger contre les surcharges et les courts- circuits.

Fusible

Porte fusible 1 Porte fusible 2 aM

Tension assignée 220 V 756 V 1240 V

Courant assigné 2624 A 857 A 1050 A

Type gG gG aM

Référence possible J302757A

FERRAZ SHAWMUT 10URD72D11A0900 FERRAZ SHAWMUT

Tableau 04 : Tension et courant assignés pour les éléments de protection

B-Le fusible

Le fusible est un organe de sécurité, utilisé en électricité et électronique, son rôle est

d'interrompre le courant électrique dans le circuit électrique qu'il protège en cas de

défaut. Son nom vient du fait qu'il fonctionne par fusion d'un filament. S’il y a

surintensité il y aura alors échauffement et rupture de ce filament avant l’échauffement

excessif du circuit.

C-Le contacteur


35

Un contacteur est un appareil électrique analogue à un relais électromécanique, mais

dont le contact est prévu pour supporter un courant beaucoup plus important. Ainsi, ils

sont utilisés afin d'alimenter principalement des moteurs industriels.

Figure36 : Symbole technique du contacteur

Pour notre application, ce contacteur doit supporter un courant de 2625 A et une

tension de 220 V.

D-Le contrôleur permanant de sécurité (CPI)

Un contrôleur permanent d'isolement (CPI) est un appareil électrique souvent

électronique permettant de détecter un défaut sur une installation de type IT. Ce

dispositif est utilisé dans l'industrie et dans les hôpitaux car il ne coupe l'alimentation en

électricité de l'installation, qu'en cas de deuxième défaut se produit sur cette

installation, ce qui permet à la maintenance de réparer le premier défaut, sans avoir de

perte de productivité.

Il injecte dans le circuit un signal de quelques Kilos Hertz et vérifie que la différence

est nul, si elle n'est pas nul cela signifie qu'il y a un défaut d'isolement et que le signal

passe par la Terre.

Le régime de neutre IT au neutre impédant de la source. C'est-à-dire relié à la terre à

travers une impédance supérieure à 1000 Ω. Les masses sont reliées à la terre (Voir

schéma ci-dessous). Il est à noter qu'un CPI est relié en parallèle sur cette résistance afin

de contrôler à tout instant l'isolement du circuit.

Figure 37 : Schéma du neutre IT


36

Lors d'un premier défaut il ne se passe rien. Le courant passant dans la carcasse

métallique fini dans l'impédance Zn du neutre se qui implique un courant très faible qui

ne constitue pas un danger pour les personnes. Le CPI, quant à lui, détecte cette fuite et

le signale grâce à un voyant et/ou une alarme. Une personne expérimentée doit

chercher l’origine de ce premier défaut.

E-Le circuit de commande

Il contient :

Un bouton poussoir pour (Marche) pour la mise en marche de l’installation.

Un bouton poussoir (Arrêt) pour l’arrêt de l’installation,

Un bouton d’arrêt d’urgence,

Un voyant qui montre que le circuit de commande est sous tension,

Un voyant qui montre que le circuit le circuit de puissance est sous tension,

Un sectionneur porte fusible pour protéger le circuit de commande.


37


38

1-Conception du châssis :

La rotation du MT à la vitesse souhaitée (1940 tr/min) entrainera des vibrations qu’il

faut amortir. Pour cela, il nous a été demandé de suggérer des solutions théoriques

pour un châssis permettant de supporter le MT et amortir ses vibrations.

Pour ce faire, nous suggérons que la fixation du MT sur le châssis soit de la même

manière que dans la locomotive.

Dans la locomotive, le MT est semi suspendu avec le bogie et l’essieu à l’aide de :

Deux chapeaux : ce sont deux éléments complémentaires de la carcasse.

Deux nez de suspension : solidaires à la carcasse du MT. Ils permettent de contenir le bloc de suspension.

Le bloc de suspension : contient un élément élastique en caoutchouc. Il permet d’amortir les vibrations verticales du MT.

Les pattes du châssis de bogie : permettent de contenir le bloc de suspension

Figure 38 : Chapeaux

Figure39 : Nez de suspension

Le schéma suivant montre le montage du bloc de suspension entre les nez du MT et

les pattes du bogie.

Figure 40 : Emplacement du système se suspension


39

Pour la conception du châssis, nous nous sommes basés sur les dimensions de la

carcasse et des chapeaux du MT, ainsi que les dimensions des pattes du bogie (Voir

annexe). Nous avons utilisé le logiciel SolidWorks 2009 ; Il s’agit d’un outil de conception

assisté par ordinateur (CAO) en 2D et en 3D.

Les dimensions proposées dans les figures sont imposées par ceux du MT et du

système de suspension. Il est nécessaire de faire une étude de résistance des matériaux

afin de dimensionner le reste des côtes.

Le banc proposé contiendra :

Quatre pièces à plan inclinés, avec des trous d’assemblage (Diamètre : 38 mm

et profondeur : 32 mm. D’après la figure B à l’annexe). Ces pièces substituent

les deux chapeaux.

Figure 41 : Pièce à plan incliné


40

Deux tables supports fixées au sol, avec une liaison glissière avec le sol pour la

phase de réglage, contenant aussi des rainures, qui servent à régler la position

et la fixation des pièces à plans inclinés.

Figure 42 : Table support pour les pièces à plan incliné


41

Une pièce à pattes, solidaire au sol permettant de contenir le bloc de

suspension et le caoutchouc, similaire à celle du châssis.

Figure 43 : Bloc à pattes

Un accouplement pour transmettre le mouvement de rotation du moteur à la

génératrice.

Un système de refroidissement pour refroidir le moteur et la génératrice.

Des capteurs pour mesurer la vitesse, la tension, le courant, la température, et

pour détecter les défauts d’isolement.

La fixation du moteur et de la génératrice se font avec les mêmes boulons

d’assemblage utilisés pour le montage dans la locomotive.

Figure 44 : Distance entre les éléments


42

Figure 45 : Assemblage des éléments du châssis

2-Choix de l’accouplement / contraintes

Le bout d’arbre du MT - à l’extrémité pignon - est conique pour favoriser son

adhérence avec le pignon. Il contient une partie filetée où se monte un écrou, c’est pour

assurer que le pignon n’échappera pas vers l’extérieur si l’adhérence est faible au

moment de rotation. (Voir annexe figure D)

Le choix d’un accouplement dans les catalogues constructeurs revient à déterminer le

couple et la puissance nominaux. Mais pour notre cas, il y a problème de la fixation de

l’accouplement sur le bout d’arbre du MT. Car ce dernier est conique et ne contient pas

ni méplat ni rainure de clavette. Pourtant, le logement et la fixation du pignon moteur

sur l’arbre du MT se fait après son échauffement, et son extraction se fait à l’aide d’un

extracteur hydraulique.

Si l’accouplement est fixé et extrait de la même façon que le pignon, il y a risque que

l’accouplement ou/et le bout d’arbre du MT s’éraillent, puisque l’accouplement sera

manipulé plusieurs fois avec plusieurs MTs.

Nous proposons alors que l’accouplement soit élastique afin d’éviter les problèmes

d’alignement entre les deux arbres accouplés. Son moyeu aura la même conicité du

bout d’arbre afin d’obtenir une bonne adhérence. Pour renforcer la fixation, l’écrou de

la fixation du pignon peut être utilisé.

Cet accouplement doit pouvoir transmettre au moins le couple utile de du MT (6220

Nm à 1940 tr/min).


43

Ainsi, cet accouplement ne doit pas être encombrant,

pour avoir la possibilité d’être monté sans avoir contact

avec le nez avant situé sur le couvercle avant de la

carcasse. Autrement dit, son diamètre extérieur au coté

carcasse ne doit pas dépasser le diamètre du pignon

(∅200 mm).

Figure 46 : Nez avant du MT

Figure 47 : Assemblage ; deux MTs + châssis

3-Le refroidissement

Pour que le moteur et la génératrice fonctionnent en charge et dans des bonnes

conditions, il est nécessaire de les refroidir avec de l’air filtré.

Dans la locomotive, le refroidissement des 6 MTs et de la génératrice principale se

fait à l’aide d’une turbine. Cette dernière aspire l’air filtré et le refoule vers les 6 MTs et

l’AR10. Elle est montée sur l’arbre de la génératrice auxiliaire GA et entrainée par la

rotation du vilebrequin du MDZ.

Pour notre application, il est possible d’utiliser un ventilateur soufflant vers les deux

MTs à travers des canalisations et des filtres à air.


44

4-Les capteurs

Pendant l’essai d’un MT, il est nécessaire de surveiller certains paramètres tel que :

o La vitesse de rotation

o La température

o Le courant absorbé

o La tension à l’entrée

Pour mesurer la vitesse de rotation des rotors, il est possible d’utiliser une

génératrice tachymétrique. Il peut être fixé sur le bout d’arbre du MT générateur.

Pour la mesure de la tension et le courant, des capteurs à effet Hall peuvent être

utilisés. Ils ont l’avantage de permettre les mesures à distance.

La mesure de la température peut être faite par l’appareil à Laser disponible au

service outillage.

5-La détection des défauts

Le matériau isolant des bobines perd sa capacité d’isolement si la température

augmente, et lorsque la température diminue il reprend ça capacité. C’’est pour cela

que parfois lorsque la locomotive est en route, le détecteur de la masse donne signal si

la vitesse dépasse 85 km/h.

En faisant tourner le moteur à une vitesse équivalente à 100 km/h (supérieure à 85

km/h), les défauts d’isolement des bobines peut être détectés à l’aide du mégohmmètre

juste après la fin de l’essai en charge, puisque la température interne du moteur

demeure presque la même. Et par conséquent la résistance d’isolement sera

correctement mesurée.

Le contrôle de la température des roulements donne une idée sur leur état. Si, au

cours du temps de fonctionnement du MT, cette température monte excessivement

avec le temps, alors les roulements sont ne sont pas bons.


45

6-Estimation du coût du matériel utilisé

Le tableau suivant donne une estimation du coût sur les composantes électriques du

banc d’essai étudié.

Tableau 05 : Estimation des couts des éléments électriques


46

Le banc d’essai proposé permet de faire fonctionner le MT en charge, en le faisant

fonctionner à une vitesse et un couple constants, et de détecter les deux anomalies

souvent rencontrées (roulements et isolation internes).

Pourtant, il est possible d’améliorer l’efficacité du banc pour pouvoir faire tourner le

MT à des différentes vitesses, et de pouvoir détecter d’autres anomalies en ayant

recours à l’analyse vibratoire. Cela nécessite une régulation de la vitesse avec le couple,

tout en remplaçant le redresseur PD3 par un pont mixte afin d’avoir une tension

d’alimentation variable et par conséquent une vitesse variable. Ceci exige la

connaissance des caractéristiques exactes des paramètres du MT.

Le manque d’information et de la documentation sur le sujet d’étude (MT), a été

parmi les grandes difficultés rencontrées durant la période du stage, puisque le

constructeur (General Motors) ne fournit pas ses caractéristiques électriques.

La réalisation du banc d’essai proposé est un moyen rentable qui peut améliorer la

maintenance des locomotives et minimiser leurs indisponibilités.

Pour clore, ce projet de fin d’études nous a été une opportunité précieuse. Ça nous a

permis d’acquérir plus de connaissances sur le milieu industriel et d’avoir une

expérience au coté technique ainsi que relationnel.


47


48

Figure A : Catalogue SEMIKRON SKR 240/14


49

Figure B : Dimensions du chapeau du MT

(Manuel de maintenance des locomotives DH : MI 3900 G)


50

Figure C : dimensions de la carcasse du MT


Figure D : Dimensions du bout d’arbre du MT


MÉMOIRE DE FIN D’ÉTUDES - Cours et...

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