optimisation par essaim de particules oep : application à l'amélioration des moteursel-azazga,...

7/23/2019 Optimisation par essaim de particules OEP : application l'amlioration des moteursEl-Azazga, Algrie

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REPUBLIQUE ALGERIENE DEMOCRATIQUE ET POPULAIREMINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE

.

UNIVERSITE DE MSILA

FACULTE DE TECHNOLOGIE

DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE

MEMOIRE DE FIN D'ETUDES EN VUE DE L'OBTENTION DU DIPLME

DE MASTER EN GENIE ELECTRIQUE

SPECIALITE: INGENIERIE DES SYSTEMES ELECTROMECANIQUES

THEME

Algorithme d'optimisation par essaim de particules(OEP) : Application l'amlioration des moteurs

El-Azazga, Algrie.

Propos et dirig par : Prsent par :

- Dr. S. CHEKROUN - BENGUEDOUAR Yassine

Anne universitaire : 2011/2012

N dordre :


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Table de Matire

Master ISE/2012 ii

REMERCIEMENTS ............................................................................................................... i

TABLE DES MATIRES...................................................................................................... ii

LISTE DES FIGURES .......................................................................................................... viLISTE DES TABLEAUX ................................................................................................... viii

NOMENCLATURE ............................................................................................................. ix

INTRODUCTION GNRALE ....................................................................................... 01

CHAPITRE I : FONDEMENT THORIQUE DE LA MACHINE ASYNCHRONE

Introduction ......................................................................................................................... 03

I.1. Constitution ................................................................................................................... 04

I.1.1. Le stator .................................................................................................................. 04I.1.2. Le rotor ................................................................................................................... 04

a) Le rotor cage ....................................................................................................... 05

b) Le rotor bobin ...................................................................................................... 05

I.1.3. Les organes mcaniques .......................................................................................... 06

I.2. Principe de fonctionnement ............................................................................................ 06

I.3. Caractristiques de fonctionnement ................................................................................ 07

I.3.1. Fonctionnement vide............................................................................................. 07

I.3.2. Fonctionnement en charge ....................................................................................... 07I.3.3. Caractristique mcanique ....................................................................................... 08

I.4. Modlisation de la MAS ................................................................................................ 09

a) Hypothses simplificatrice .......................................................................................... 09

b) Rsum des quations disponible................................................................................ 09

c) Schma lectrique quivalent ...................................................................................... 10

I.5. Bilan de puissance et rendement .................................................................................... 12

I.5.1. Pertes mcaniques ................................................................................................... 12

I.5.2. Pertes dans le circuit lectrique ................................................................................ 13

TABLE DE MATIRE


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Table de Matire

Master ISE/2012 iii

I.5.3. Pertes dans le circuit magntique ............................................................................. 13

I.5.4. Rendement .............................................................................................................. 14

I.6. Les matriaux ................................................................................................................ 14

I.6.1. Matriaux magntiques ............................................................................................ 14

I.6.2. Matriaux disolation............................................................................................... 15

Conclusion ........................................................................................................................... 16

CHAPITRE II : TAT DE LART : MAITRISE DNERGIE

Introduction ......................................................................................................................... 17

II.1. Maitrise dnergie (ME) ............................................................................................... 18

II.1.1. ME dans le btiment ............................................................................................... 18

II.1.2. ME dans lclairage................................................................................................ 18

II.1.3. ME dans l'industrie................................................................................................. 18

II.1.4. Effet des machines lectriques sur la ME................................................................ 19

II.2. Classification de rendement des moteurs lectriques ..................................................... 20

II.2.2. Machine haut rendement (MHR) ......................................................................... 21

II.2.2.1. Spcifications des moteurs haut rendement ................................................... 21

II.2.2.2. Avantage dutilisation des MHR...................................................................... 22

II.2.2.3. conomie dnergie par les moteurs haut rendement ..................................... 22

II.3. valuation de rendement de la MAS ............................................................................ 23

II.3.1. Mthodes et normes de dtermination du rendement .............................................. 23

II.3.1.1. Mthodes ......................................................................................................... 23

II.3.1.2. Normes ............................................................................................................ 24

II.3.1.3. Comparaison entre les normes ......................................................................... 25

II.3.2. Facteurs Influents sur le rendement des moteurs lectriques ................................... 25

II.4. Amlioration du rendement dune MAS ....................................................................... 27

II.4.1. Procdure de commande......................................................................................... 27

II.4.2. Procdure de la conception ..................................................................................... 29II.5. Moteurs induction produits en Algrie ....................................................................... 30

II.5.1. E.E.I Azazga .......................................................................................................... 30

II.5.2. Gamme de fabrication ............................................................................................ 30

II.5.3. Caractristique gnrales ........................................................................................ 31

II.5.4. Normes .................................................................................................................. 31

Conclusion ........................................................................................................................... 32


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Table de Matire

Master ISE/2012 iv

CHAPITRE III : DMARCHE DE CONCEPTION DUNE MAS

Introduction ......................................................................................................................... 33

III.1. La conception en gnie lectrique ................................................................................ 33

III.2. Vue globale de la mthode utilise pour la conception ................................................. 34III.3. Mthodes de calcul et dimensionnement dune machine lectrique ............................. 34

III.3.1. Premire Mthode ................................................................................................. 34

III.3.2. Deuxime Mthode ............................................................................................... 34

III.3.3. Troisime Mthode ............................................................................................... 35

III.3.4. Mthode Classique calcul de LIWSCHITZ .................................................... 35

III.3.4.1. Cahier de charge ............................................................................................. 36

III.3.4.2. Calcul prliminaire ......................................................................................... 36

III.3.4.3. Calcul des dimensions gomtriques principales du rotor et stator .................. 37III.3.4.4. Calcul de la F.M.M ......................................................................................... 38

III.3.4.5. Dispersion ...................................................................................................... 43

III.3.4.6. Les pertes ....................................................................................................... 45

III.3.4.7. Paramtre de construction diagramme circulaire ............................................. 47

III.6. Application sur la machine type DIN-IEC 34-T2 ......................................................... 49

III.6.1. Programme de conception dvelopp .................................................................... 49

III.6.2. Rsultats du programme ........................................................................................ 49

III.7. tude des performances de la machine ........................................................................ 55

III.7.1. Analyse statique .................................................................................................... 55

III.7.2. Analyse dynamique ............................................................................................... 57

III.7.3. Comparaison des rsultats ..................................................................................... 62

Conclusion ........................................................................................................................... 63

CHAPITRE IV : CAO OPTIMISE DUNE MAS PAR ESSAIM DE PARTICULE

Introduction ......................................................................................................................... 64

IV.1. Conception assist par ordinateur (CAO) .................................................................... 65IV.1.1. Caractristiques .................................................................................................... 65

IV.1.2. CAO dans lindustrie ............................................................................................ 67

IV.1.3. Avantages ............................................................................................................. 67

IV.2. CAO optimise ........................................................................................................... 68

IV.3. Synthse des mthodes doptimisation ........................................................................ 70

IV.3.1. Caractristiques des algorithmes doptimisation.................................................... 70

IV.3.2. Classification des mthodes doptimisation .......................................................... 70

IV.3.2.1. Mthodes dterministes .................................................................................. 71


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Table de Matire

Master ISE/2012 v

a) Mthode de gradient .................................................................................... 71

a) Mthode numrative .................................................................................. 72

a) Mthode de simplexe ou de Nelder-Mead .................................................... 72

IV.3.2.2. Mthodes stochastiques .................................................................................. 73

a) Mthode de Monte-Carlo ............................................................................. 73

a) Mthode de recherche Tabou ....................................................................... 73

a) Mthode du recuit simul ............................................................................ 74

a) Mthode de colonie de fourmis .................................................................... 75

a) Stratgie d'volution .................................................................................... 76

a) Mthode dalgorithmes gntiques AG ........................................................ 76

a) Mthodedoptimisation par Essaim particulaires OEP ................................ 78IV.3.3. Comparaison entre les mthodes dterministes et stochastiques ............................ 82

IV.4. CAO optimise applique au MHR ............................................................................. 83

IV.4.1. Choix du moteurs tudi ....................................................................................... 83

IV.4.2. Application de la mthode PSO ............................................................................ 83

IV.4.3. Variables de conception et espaces de recherche ................................................... 85

IV.4.4. Rsultats ............................................................................................................... 85

IV.4.5. Etude de leffet de choix du matriau .................................................................... 88

IV.4.6. tude statistique ................................................................................................... 92

Conclusion ........................................................................................................................... 93CONCLUSION GNRALE............................................................................................ 94

ANNEXE

RFRENCES BIBLIOGRAPHIQUE

RSUM


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Liste de Figures

Master ISE/2012 vi

CHAPITRE IFigure I.1: Caractristique Mcanique Cu=f(n). .......................................................................... 8

Figure I.2: Schma de Principe de la Machine Asynchrone et Schma Monophas quivalent. 11

Figure I.3: Schma quivalent Monophas Simplifi de La Machine Asynchrone .................... 11

Figure I.4: Bilan de Puissance de la Machine Asynchrone. ....................................................... 13

CHAPITRE II

Figure II.1: Schma de Principe dun Convertisseur de Frquence. ........................................... 28

Figure II.2: Dmarreur de Moteurs Asynchrones et Forme du Courant dAlimentation ............ 28

Figure II.3: Dmarche dune Rsolution dun Problme de Conception .................................... 30

CHAPITRE III

Figure III.1: Organigramme de Procdure de Conception ......................................................... 35

Figure III.2: Diagramme de Cercle ........................................................................................... 55

Figure III.3: Caractristique du Rendement en Fonction du Glissement .................................... 56

Figure III.4: Caractristique de la Puissance Utile en Fonction du Glissement .......................... 56Figure III.5: Caractristique du Courant Primaire en Fonction du Glissement ........................... 56

Figure III.6: Caractristique de Couple en Fonction du Glissement ........................................... 57

Figure III.7: Caractristiques du Vitesse Rotorique en Fonction de Glissement ......................... 57

Figure III.8: Schma Fonctionnel du Banc dEssai par Simulation ............................................ 58

Figure III.9: Dtaille du Bloc Subsystem ................................................................................. 58

Figure III.10: Rsultats de la Simulation de la Machine pour le Test sur le Couple Nominal ..... 59

Figure III.11: Rsultats de la Simulation de la Machine pour le Test sur le Couple de Dmarrage ....... 60Figure III.12: Rsultats de la Simulation de la Machine pour le Test sur le Couple Maximal..... 61

LISTEDEFIGURES


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Liste de Figures

Master ISE/2012 vii

CHAPITRE IV

Figure IV.1:Mthodologie de Conception Squentielle ........................................................... 68Figure IV.2: Itrations Possibles Lors de la Conception Optimise. .......................................... 68Figure IV.3: Dtermination du Plus Court Chemin par une Colonie de Fourmis........................ 76

Figure IV.4: Organigramme Illustre le Principe de Fonctionnement des AGs ............................ 78

Figure IV.5: Schma de Principe du Dplacement dune Particule. Algorithme OEP ................ 79

Figure IV.6: Organigramme Illustre le Principe de Fonctionnement des OEP ........................... 81

Figure IV.7: Allure de la Fonction tudie .............................................................................. 82

Figure IV.8: Rsolution dun Problme avec un Algorithme dOptimisation ............................. 84

Figure IV.9: Rsultats pour la 1er Excution .............................................................................. 86

Figure IV.10: Rsultats pour la 2eme Excution .......................................................................... 86

Figure IV.11: Comparaison entre les Caractristiques de la Machine Existante et la Machine

Haut Rendement ............................................................................................................... 87

Figure IV.12: Rsultats pour 1er Excution pour la Machine M2 .............................................. 90

Figure IV.13: Rsultats pour 2eme Excution pour la Machine M2.......................................... 90

Figure IV.14a,b: Comparaison Entre les Caractristiques de la Machine Existante et la MHR. . 90


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Liste de Tableaux

Master ISE/2012 viii

CHAPITRE I

Tableau I.1 :Caractristiques de Quelques Matriaux Magntiques Doux ............................ 15Tableau I.2 :Caractristiques de Quelques Matriaux Magntiques Durs ............................. 15Tableau I.3 : Classification des Matriaux dIsolants............................................................ 16

CHAPITRE II

Tableau II.1 : Mesures dconomie dnergie dans les Systmes dEntranement ................ 20

Tableau II.2 :Rpartition et Classes du Rendement des Moteurs lectriques ........................ 20

CHAPITRE III

Tableau III.1 :Tableau dEncoche Rotorique ....................................................................... 37Tableau III.2 :Plaque Signaltiquede la Machine Etudie .................................................... 49Tableau III.3 :Tableau Rcapitulatif .................................................................................... 62

CHAPITRE IV

Tableau IV.1 :Paramtres de Conception et leurs Limites .................................................... 85Tableau IV.2 :Rsultats dOptimisation ............................................................................... 85Tableau IV.3 :Tableau Comparatif ...................................................................................... 88Tableau IV.4 :Rsultats dOptimisation ............................................................................... 89Tableau IV.5 :Tableau Comparatif ...................................................................................... 91Tableau IV.6 :Tableau Comparatif ...................................................................................... 91Tableau IV.7 :conomie dnergie...................................................................................... 92Tableau IV.8 :conomie dnergie...................................................................................... 92

LISTE DE TABLEAUX


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Nomenclatures

Master ISE/2012 ix

symbole unit Notation

p Nombre de paire de ples.

g Glissement.

j Kg.m2 Inertie.

s rad/s Pulsation statorique ou de synchronisme.

s Rad/s Vitesse synchronisme.

ns tr/min Vitesse de synchronisme.

n, nr tr/min Vitesse rotorique.

n0 tr/min Vitesse vide.

fs Hz Frquence du courant statorique.

fr Hz Frquence du courant rotorique.

Is, I1 A Courant statorique.

Ir A Courant rotorique

Cu N.m Couple utile.

Cr N.m Couple rsistant.

Cn N.m Couple nominal.

Cdem N.m Couple de dmarrage.

V1 V Tension primaire.

Rs, Rr Resistance denroulement statorique et rotorique.

Ls, Lr H Inductance cyclique propre statorique et rotorique.

X1 ractance de fuite du stator.

max Wb Flux maximal.

i Wb Flux partiel.

Rf Rsistance de fuite.

Bmax T Induction maximal.

NOMENCLATURES


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Nomenclatures

Master ISE/2012 x

Lm H Inductance magntisante.

M H Inductance cyclique mutuelle.

Pa W Puissance absorb.

Ptr W Puissance transmise.Pmec W Perte mcanique.

Pj W Perte joule.

+ W Puissance.

Pcul W Perte dans la culasse.

W Perte fer.

Ph W Petre par hystrsis.

Ps W Puissance apparente.m1 Nombre de phase.

Permabilit.

% Rendement.

C Coefficient dutilisation.

A1 Dsigne la densit linaire de courant la priphrie de

linduit.

N1 Nombre de spire.

Kw1 Facteur de bobinage.

Kp1 Facteur de raccourcissement.

Kd1 Coefficient de distribution.

Kf Coefficient de forme de la courbe dinduction.

Ks Coefficient de saturation.

Kc Facteur de forme.

KH Coefficient Hystrsis.

E1 Force lectromagntique.

Pas relative.

y Ordre harmonique.

li m Longueur virtuel.

p Pas polaire.

D m Diamtre dalsage

Rapport gomtrique

q Nombre de bobine par groupe


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Nomenclatures

Master ISE/2012 xi

m paisseur dentrefer

' m paisseur dentrefer fictif

F Chute de potentiel magntique

C Coefficient daplatissement de la courbebi Arc polaire

H Champ magntique

h m hauteur

Z1 Nombre dencoche statorique

Z2 Nombre dencoche rotorique

Dispersion

Permeance

Rsistivit

S m2

Surface vertuel de la machine

pt Longueur du pont

cos Facteur de puissance

T Induction en entrefer

Wb Flux travers dans lentrefer

1 T Induction dans la culasse statorique et au pied de la dent

1 T Induction dans la culasse statorique et au milieu de la dent

1 T Induction dans la culasse statorique et la tte de la dent

2 T Induction dans la culasse rotorique et au pied de la dent

2 T Induction dans la culasse rotorique et au milieu de la dent

2 T Induction dans la culasse rotorique et la tte de la dent

1 Pas dentaire statorique

2 Pas dentaire rotorique


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INTRODUCION

GENERALE


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Introduction Gnrale

Master ISE/2012 1

1. Gnralits

Dans le vaste champ de llectromcanique, une des plus anciennes disciplines est

lingnierie des machines lectriques. En fait les premires tentatives de construction

de machines lectriques commencrent avec la dcouverte des phnomnes d'induction et la

mise en vidence des forces issues de l'interaction entre les champs lectromagntiques et les

courants de conduction (Lois : Lenz, Laplace, Faraday etc.).Ainsi et dsormais le domaine de conception des machines lectriques est l'une des plus

prestigieuses dcouvertes du sicle dernier et reste aujourd'hui un thme de recherche trs pris

par les laboratoires de recherche. L'objectif vis par cette recherche est toujours l'optimisation

et la conception de nouvelles machines adaptes la demande du march.

La caractrisation de ces machines entrane formuler des mthodes de dimensionnement

qui sappuie sur les quations tenant compte des divers phnomnes lectromagntiques et qui

aboutit une dfinition globale, le rsultat obtenu est par la suite simul grce loutil de CAO.

Un outil de CAO est un moyen de simulation permettant la dfinition de la structure

du dispositif concevoir, son dimensionnement et la dtermination de ses performances partir

de ces spcifications gomtriques, de construction et des conditions d'utilisation. En partant

d'un cahier de charges donn, il permet d'explorer automatiquement l'ensemble des solutions

possibles.

Suivant l'augmentation continue du cot de l'nergie et de la pression cause par le souci

de la protection de l'environnement, les fabricants des machines lectriques ainsi que les

consommateurs s'intressent la rduction de la consommation d'nergie des systmes

lectriques. Ce qui a conduit au lancement dimportants travaux travers le monde,

particulirement pour l'amlioration du rendement des machines. Cela est d principalement

la place qu'elles occupent.

2. Objectives

Le travail effectu durant ce mmoire est expos dans ce document porte sur lamlioration

du rendement de la machine, que lon notera par la suite MHR (Machine Haut Rendement).

INTRODUCTIONGNRALE


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Introduction Gnrale

Master ISE/2012 2

Il a consist en la mise au point dun algorithme d'optimisation PSO du rendement puis son

implmentation et son valuation. Pour cela, il faut concevoir une mthode de calcul

etsimulation laide dun outil informatique afin de satisfaire un cahier de charge. Elle

prsente un cheminement qui discerne un calcul analytique suivi dun dimensionnement dfinitif.

A cet effet, on utilise la mthode classique de LIWSCHITZ.

En outre, lutilisation dun tel logiciel permet dobtenir de nombreux renseignements sur

le fonctionnement du moteur : couple en rgime permanent ou au dmarrage, courant

de dmarrage, tat de saturation de la machine, harmonique du courant absorb, etc. Ces

renseignements sont trs utiles dans la commande, ce niveau de la conception,

du comportement du moteur qui sera construit.

3. Structure du mmoire

Dans le premier chapitre, on prsentera des gnralits sur le moteur asynchrone triphas.

Les lments de construction sont abords au dbut du chapitre, en deuxime partie on voquera

son fonctionnement et la modlisation, ainsi que un rsum des dfrentes pertes existantes dans

la machine. On rappellera les dfrents matriaux utiliss dans la dernire partie.

Dans le deuxime chapitre on sintressera sur la gestion de lnergie, de terme une

prsentation des tentatives de rduire la consommation dans tous les domaines dutilisation.

On prsentera galement les moteurs induction haut rendement, leffet de ces moteurs sur

la maitrise dnergie.

Le troisime chapitre, traitera le calcul analytique bas sur la mthode de LIWSCHITZ

du moteur asynchrone de puissance moyenne, conformment un cahier de charge. On se fixera

des paramtres de cahier et le choix de ce dernier se fera en fonction des performances values

lors du calcul des caractristiques et des rsultats des simulations.

Enfin, le quatrime chapitre comprend lapplication de la mthode doptimisation PSO sur

notre modle analytique dfinit dans le troisime chapitre.

Finalementon prsentera une conclusion gnrale qui rsume les rsultats de nos travaux.


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CHAPITRE I

Fondement Thorique

de la Machine

Asynchrone (MAS)


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CHAPITRE I Fondement Thorique de la Machine Asynchrone (MAS)

Master ISE /2012 3

Introduction

Pendant de nombreuses annes, le moteur courant continu a t privilgi pour les

applications vitesse variable en raison de sa simplicit de commande et donc de sa mise en

uvre. Mais, ce moteur prsente des inconvnients lis sa structure. Il a des limitations

technologiques (limitation en puissance et vitesse, cration dtincelle, usure des balais,

etc.) qui le rendent inadapt certaines applications (train grande vitesse, milieu avec

risque dexplosion, usine de graphite, etc.).

Les machines courant alternatif (synchrone, asynchrone, rluctance variable,etc.)

ne posent pas de telles limitations. Do cot moindre, elles sont robustes et pouvant

supporter de trs fortes puissances et de trs hautes vitesses, [1, 2].

Le moteur asynchrone est de beaucoup le moteur le plus utilis dans lensemble des

applications industrielles, du fait de sa facilit de mise en uvre, de son faible encombrement,

son bon rendement et de son excellente fiabilit. Son seul point noir est lnergie ractive,

toujours consomme pour magntiser lentrefer.

Dans ce chapitre, on prsentera des gnralits sur la machine asynchrone pour faire la

diffrence entre cette dernire, et les autres machines partir de sa construction, sonprincipe de fonctionnement et ses caractristiques.

CHAPITRE I

Fondement Thorique de la Machine Asynchrone (MAS)


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Master ISE /2012 4

I.1. Constitution

Deux composantes principales constituent le moteur asynchrone, souvent appel moteur

induction. Elles sont faites de tles d'acier au silicium et comportent des encoches dans

lesquelles on place les enroulements.

L'une des composantes, appele le stator, est fixe. L'autre composante, nomme le rotor,

est monte sur un axe et libre de tourner, [3].

Dans les encoches rgulirement rparties sur la face interne du stator sont logs trois

enroulements identiques, "p" paires des ples; leurs axes sont distants entre eux d'un angle

lectrique gal 2/3.

Les phases du stator sont alimentes par un rseau triphas de tentions sinusodales frquence et amplitude constante ou par un onduleur de tentions ou de courant frquence et

amplitude rglables.

Alors le rotor, il peut tre ralis:

Soit par un systme d'enroulement triphass (rotor bobin), raccords en toile troisbagues sur les quelles frottent trois balais fixes accessible par la plaque aux bornes et

mis en court-circuit pendant les rgimes de fonctionnements normaux ;

Soit par une cage conductrice intgre aux tles ferromagntique (rotor cage). il estadmis que la deuxime structure du rotor est lectriquement quivalente la premire,

quand il s'agit de cages non profondes ou de cages simples (non double).

I.1.1. Le stator

Le stator consiste en un empilement de tles d'acier au silicium dont l'paisseur varie entre

0,35 et 0,50 mm. On utilise les tles minces dans les moteurs pour lesquels on doit minimiser

les pertes dans le circuit magntique. Dans le cas ou le diamtre du moteur ne dpasse pas

quelques centaines de millimtres, les tles sont dcoupes en une seule pice. Pour lesmoteurs de grand diamtre, les tles du stator et du rotor sont dcoupes par sections.

Afin de limiter l'effet des courants de Foucault, on recouvre habituellement les tles d'une

couche mince de vernis ou de silicate de soude.

I.1.2. Le rotor

Cest llment mobile du moteur. Comme le circuit magntique du stator, il est constitu

d'un empilage de tles minces isoles entre elles et formant un cylindre clavet sur l'arbre du

moteur.


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Master ISE /2012 5

a) Le rotor cagePlusieurs types de rotor cage existent, en citant ces moteurs dans l'ordre du moins

rpandu au plus courant :

Rotor cage rsistante : Le rotor rsistant existe surtout en simple cage. La cage estferme par deux anneaux rsistants (alliage particulier, section rduite, anneaux

d'inox etc). Ces moteurs prsentent un fort glissement au couple nominal. Leur

couple de dmarrage est lev et le courant de dmarrage faible. En raison des pertes

dans le rotor, leur rendement est faible.

Rotor simple cage : Dans des trous ou dans des encoches disposes sur le pourtourdu rotor ( lextrieur du cylindre constitu par lempilage de tles) sont placs des

conducteurs relis chaque extrmit par une couronne mtallique et sur lesquels

vient s'exercer le couple moteur gnr par le champ tournant. Pour que le couple soit

rgulier, les conducteurs sont lgrement inclins par rapport l'axe du moteur.

Lensemble a laspect dunecage dcureuil, do le nom de ce type de rotor.

Rotor double cage : Il comporte deux cages concentriques, lune extrieure, defaible section et assez rsistante, lautre intrieure, de forte section et de rsistance

plus faible.

Rotor encoches profondes : C'est la ralisation standard. Les conducteursrotoriques sont mouls dans les encoches du rotor qui sont de forme trapzodale dont

le petit cot du trapze se situe l'extrieur du rotor.

Le fonctionnement est analogue au moteur double cage : lintensit du courant

rotorique varie en fonction inverse de sa frquence. Ainsi :

Au dbut du dmarrage, le couple est lev et lappel de courant rduit. En rgime tabli, la vitesse est sensiblement celle du moteur simple cage.

b) Le rotor bobin (rotor bagues)Dans des encoches pratiques la priphrie du rotor sont logs des enroulements

identiques ceux du stator. Gnralement le rotor est triphas. Une extrmit de chacun des

enroulements est relie un point commun (couplage toile). Les extrmits libres peuvent

tre raccordes sur un coupleur centrifuge ou sur trois bagues en cuivre, isoles et solidaires

du rotor. Sur ces bagues viennent frotter des balais base de graphite raccords au dispositif

de dmarrage, [3].

En fonction de la valeur des rsistances insres dans le circuit rotorique, ce type demoteur peut dvelopper un couple de dmarrage slevant jusqu 2,5 fois le couple nominal.


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Master ISE /2012 6

I.2.3. Les organes mcaniques

La carcasse sert de support, elle joue le rle denveloppe et assure la protection contre

lenvironnement extrieur. Larbre est un organe de transmission. Il comprend une partie

centrale qui sert de support au corps du rotor et un bout darbre sur lequel est fix un demi-

accouplement. Il est support par un ou plusieurs paliers. Ces paliers soutiennent le rotor et

assurent la libre rotation. Le second palier est libre pour assurer les dilatations thermiques de

larbre. Une isolation lectrique de lun des paliers assure llimination des courants dans

larbre d aux dissymtries des rluctances du circuit magntique. Ils sont gnralement

roulements pour les machines de petite et moyenne puissance, [1, 3].

I.2. Principe de fonctionnement

Les courants statoriques crent un champ magntique tournant dans le stator. La frquence

de rotation de ce champ est impose par la frquence des courants statoriques, cest--dire que

sa vitesse de rotation est proportionnelle la frquence de l'alimentation lectrique. La vitesse

de ce champ tournant est appele vitesse de synchronisme, [4].

=sp

(I.1)

Avec :

S : Pulsation statorique ou de synchronisme , lie la frquence du stator.

p : Nombre de paire de ple de la force magntomotrice rsultante.

L'enroulement au rotor est donc soumis des variations de flux (du champ magntique).

Une force lectromotrice induite apparat qui cre des courants rotoriques. Ces courants sont

responsables de l'apparition d'un couple qui tend mettre le rotor en mouvement afin de

s'opposer la variation de flux: loi de Lenz. Le rotor se met donc tourner pour tenter de

suivre le champ statorique, [2, 4].

La machine est dite asynchrone car elle est dans l'impossibilit, sans la prsence d'un

entranement extrieur, d'atteindre la mme vitesse que le champ statorique. En effet, dans ce

cas, vu dans le rfrentiel du rotor, il n'y aurait pas de variation de champ magntique ; les

courants s'annuleraient, de mme que le couple qu'ils produisent, et la machine ne serait plus

entrane. La diffrence de vitesse entre le rotor et le champ statorique est appele glissement

Par dfinition on a donc,


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=nsn

ns=

fsfrfs

(I.2)

: Glissement de la vitesse de rotation par apport celle du champ tournant

statorique.fS : Frquence du courant statorique ;

fr : Frquence du courant rotorique.

Le rotor tourne la vitesse n plus petite que la vitesse de synchronisme ns, on dit que le

rotor glisse par rapport au champ tournant. Ce glissement va dpendre de la charge.

I.3. Caractristiques

I.3.1. Fonctionnement vide

A vide le moteur nentrane pas de charge :

a) Le glissement est presque nul est le moteur tourne la vitesse proche dusynchronisme, 0 et donc 0 = 0 ;

b) Le courant est compris entre 50 % et 30 % du courant de pleine charge. Ce courantest semblable au courant d'excitation d'un transformateur. Il est compos en

majeure partie d'un courant magntisant qui produit le flux tournant m et d'unefaible composante active pour fournir les pertes par frottement et ventilation, plus

les pertes dans le fer ;

c) La puissance ractive requise pour crer le champ tournant est donc considrable et,afin de la rduire. On est amen utiliser un entrefer aussi petit que possible, en

tenant compte des tolrances mcaniques acceptables ;

d) Le facteur de puissance est compris entre 20 % pour les petits moteurs et 5 % pourles gros ;

e) Le rendement est nul, car la machine ne dbite aucune puissance utile, [1].I.3.2. Fonctionnement en charge

Lorsque le moteur fonctionne en charge :

a) La puissance ractive (kVAR) requise pour produire ces trois flux est lgrementsuprieure celle absorbe vide ;

b) La puissance active (kW) absorbe par le moteur varie proportionnellement avec lacharge mcanique ;


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c) Le facteur de puissance du moteur (kW/kVA) s'amliore mesure que la chargecrot : pleine charge, il est compris entre 80 % pour les petits moteurs et 90 %

pour les gros ;

d)

Le rendement pleine charge est particulirement lev ; il peut atteindre 98 %pour les grosses machines, [3].

I.3.3. Caractristique mcanique

La caractristique mcanique reprsente la courbe du couple en fonction de la vitesse de

rotation.

Figure I.1 : Caractristique Mcanique Cu=f(n).

On constate que le couple est nul la vitesse de synchronisme ns. En effet, si le rotor

tourne au synchronisme ns, le rotor ne "verrait" plus de champ tournant autour de lui.

Lorsqu'on freine le moteur (la vitesse de rotation baisse) : le couple augmente, passe par

un maximum, puis redcrot.

Pour une vitesse de rotation nulle (moteur immobilis ou au dmarrage), le couple existe

et correspond au couple de dmarrage.

Zone utile de fonctionnementEn pratique, le moteur asynchrone ne doit fonctionner dans une zone utile de

fonctionnement.

La zone utile de fonctionnement va du synchronisme (moteur vide) un couple quicorrespond au couple maximale (moteur pleine charge). Au del, on pourrait certes obtenir


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une puissance mcanique suprieure, mais le courant appel excderait ce que le moteur peut

supporter, d'o un chauffement excessif des bobinages. Par ailleurs, le rendement se dgrade

lorsqu'on dpasse le couple maximal et que la vitesse de rotation baisse trop.

I.4. Modlisation de la MAS

Depuis quelques annes, grce la mise au point de calculateurs temps rel rapides,

on exploite de plus en plus les machines asynchrones. Les machines cage sont de fabrication

simple et ne posent pas de problmes de maintenance. Par contre, on ne savait pas raliser le

dcouplage courant-flux car on ne peut jouer que sur les caractristiques de la tension du

moteur : il ny a pas dexcitation ! Cest maintenant chose faite.

Par ailleurs, pour tudier une machine lectrique, le but de llectrotechnicien estdlaborer un modle aussi fin que possible qui puisse rendre compte de la ralit. On sait que

le dimensionnement dune motorisation se fait en prenant en compte les rgimes transitoires

(mise en vitesse) qui sont plus contraignants que les rgimes tablis. Il importe donc que les

modles soient utilisables aussi bien en rgime statique que dynamique. Cest facile faire

pour le moteur courant continu, a lest beaucoup moins pour le moteur asynchrone, [6].

a) Hypothses simplificatriceDans lapproche propose, on suppose que, [5] :

1. le circuit magntique est linaire (permabilit relative du fer trs grande devant 1) :Cette hypothse permet d'introduire le concept d'inductance propre et mutuelle entre

les bobinages statoriques et rotoriques ;

2. l'effet de peau est ngligeable ;3. les barres rotoriques sont isoles les unes des autres : cette hypothse permet

d'liminer les courants dinter-barres et leurs effets au sein de la cage rotorique ;

4. les pertes fer de la machine, les effets capacitifs et les effets thermiques sontngligeables dans la construction du modle de la machine asynchrone cage

d'cureuil.

b) Rsum des quations disponibleOn dispose des quations de tensions statorique, [6] :

= . + . (I. 3)

= . + + . (I. 4)


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avec des relations symtriques du ct rotor :

0 = . + . (I. 5)

0 = . + + . (I. 6)

On dispose des quations de flux statorique :

= . + . (I. 7)

= . + . (I. 8)

avec des relations symtriques du ct rotor :

= . + . (I. 9)

= . + . (I. 10)

Rajoutons une quation de couple :

= . . . (I. 11)

Et la relation entre les frquences vue au dbut :

= . + (I. 12)

Ainsi que la relation fondamentale dynamique :

.

= (I. 13)

En utilisant la notation de Laplace, il est possible de dessiner un schma fonctionnel de la

MAS. Le schma est un peu plus compliqu, il est implant dans le chapitre troisime.

c) Schma lectrique quivalent

La machine asynchrone est finalement constitue de deux ensembles de bobinages

triphass enrouls sur le mme circuit magntique. Par analogie, on peut alors considrer

quelle est quivalente, larrt, un transformateur triphas.

On reprsente sur la figure I.2, le schma de principe correspondant ainsi que le schma

monophas quivalent obtenu partir de lanalogie avec un transformateur, [2].


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Figure I.2 : Schma de Principe de la Machine Asynchrone

et Schma Monophas quivalent.

Les relations de maille scrivent :Au primaire : V1= R1.I1 +jL1.I1+j.1 (I.14)

Au secondaire : 0= R2.I2 + jL2.I2+jg2 (I.15)

Soit donc : 0=2

.I2 + jL2.I2+j2 (I.16)

On note sur ce schma les lments dimperfection classiques : rsistances sries des

bobinages primaires et secondaires. Par contre, on reprsente le transformateur quivalent

comme une simple inductance mutuelle entre le primaire et le secondaire.

Il faut bien noter que, lorsque la machine tourne, les frquences des courants et des tensions

au primaire et au secondaire du transformateur quivalent ne sont pas les mmes.

En pratique, pour construire un schma quivalent final simplifi, on divise lquation de

maille secondaire par la grandeur g, ce qui fait apparatre une inductance de fuite quivalente

la frquencef.

Figure I.3 : Schma quivalent Monophas Simplifi de la Machine Asynchrone.


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Les frquences du primaire et du secondaire tant alors identiques grce cette

manipulation, on ramne les lments dimperfection au primaire du transformateur.

On retiendra donc le schma monophas quivalent simplifi prsent sur la figure I.3

(les tapes intermdiaires nayant pas t dveloppes ici).Avec :

Rf, Lm : Rsistance quivalente aux pertes fer et inductance magntisante ;

R1 : Rsistance denroulement statorique ;

L : Inductance de fuite rotorique ramene au primaire ;

2

: Rsistance rotorique ramene au stator.

I.5. Bilan de puissance et rendement

La transformation de l'nergie d'une forme en une autre au moyen d'une machine

s'accompagne toujours d'une certaine perte de puissance. Cette perte se produit dans la

machine elle-mme et donne lieu , [7] :

chauffement des diffrentes parties de la machine ; Diminution du rendement de la machine, la puissance dbite par la machine tant

infrieure la puissance qui lui est fournie.

Les pertes dans la machine lectrique se divisent selon leurs origines deux types,

lectrique et mcanique :

I.5.1. Pertes mcaniques

Les pertes mcaniques proviennent du :

Frottement dans les paliers,

Frottement de l'air sur l'induit et sur le ventilateur destin au refroidissement de lamachine.

Les pertes qui proviennent du frottement du rotor sur des organes fixes (paliers)

contribuent l'chauffement de la machine. Plus la machine tourne vite, les pertes

mcaniques deviennent importantes. Ces pertes dpendent de nombreux facteurs et il est trs

difficile de prdire leur valeur. Pour les dterminer avec exactitude, il faut faire des essais sur

la machine, [8, 9].


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I.5.2. Pertes dans le circuit lectriques

Ce sont les pertes par effet joule dans les enroulements d induit, dexcitation et plus

gnralement dans toutes les parties conductrices dune machine traverse par un courant.

Ces pertes sont proportionnelles au carr du courant. Contrairement dautres machines

lectriques, les pertes rotoriques sont trs importantes, [10].

I.5.3. Pertes dans le circuit magntique

Elles sont appeles aussi pertes dans le fer du fait que les matriaux utiliss par ce circuit

sont, habituellement, base de fer. Plusieurs auteurs se sont intresss ltude de cette

forme.

Les principales sources des pertes fer sont les pertes par hystrsis et courants de Foucault.

L'induction du courant l'intrieur du rotor de la machine cause des pertes de courant de

Foucault. Ces pertes sont presque proportionnelles au carr du produit de flux de fuite dans

lentrefer et de sa frquence de variation. Les pertes d'Hystrsis sont le rsultat de la

variation continue des flux de fuites dans le circuit magntique, ce sont presque

proportionnelles au produit du carr du flux et de la frquence. Les pertes fer sont

videmment ngligeables aux vitesses trs basses. Cependant, mesure que la vitesse

augmente les pertes de puissance dues aux augmentations de pertes fer augmentent dune

manire significative, [10].

On rsume alors lcoulement des puissances sur la figure I.4, [9].

Figure I.4 : Bilan de Puissance de la Machine Asynchrone.

Puissance lectriqueabsorbePa

Pertes joules au

statorPs

Pertes

ferP

Puissance transmise

lentreferPtr

Pertes joules aurotorPjr

Puissance mcaniquePmec

Puissance utilePuPertes mcaniquerotationnelles Pmec


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I.5.4. Rendement

Par dfinition, le rendement (ce que la machine rend de ce qu'on lui donne) s'exprime par

le rapport, [11]:

=

(I. 17)

La formule du rendement peut encore s'crire :

=

=

=

+

(I. 18)

I.6. Les matriaux

Il est toujours ncessaire, dans toute conception de produit industriel, de choisir le

matriau dans lequel lobjet sera ralis et le procd utilis poursa ralisation. Ce choix est

la fois crucial et difficile. Crucial car de lui dpend la performance de la conception et sa

viabilit conomique, difficile en raison la fois de la diversit des matriaux et des procds

possibles, et de la varit des requtes exiges par la conception, [12].

I.6.1. Matriaux magntiques

Sous laction dun champ dexcitation magntique H extrieur, les matriaux magntiques

sont le sige dune induction locale B, qui est la rsultante de laimantation du matriau et du

champ appliqu :

= 0 + I. 19

0H: Linduction dun matriau ;

J : laimantation locale du matriau

On distingue les matriaux magntiques doux et les matriaux magntiques durs, tous

deux utiliss dans la fabrication de machines lectriques :

Un matriau magntique doux est caractris par une permabilit relative leve et unchamp coercitif faible. On lutilise notamment comme conducteur de flux pour

transmettre une information ou convertir de lnergie.


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Tableau I.1 : Caractristiques de Quelques Matriaux Magntiques Doux ( temprature ambiante)

Matriau Composition (%)

Permabilit

relative initiale

(en10

3

)

Permabilit

relative maximale

(en10

3

)

Champ

coercitif

(A/m)Fer pur 0.05 (impuret) 10 200 4

Fe-Si (orient) 97Fe 3Si 1.5 40 8

78 Permalloy 78.5Ni 21.5Fe 8 100 4

Supermalloy 5Mo 79Ni 16Fe 100 1000 0.16

Mumtal 5Cu 2Cr 77Ni 16Fe 20 100 4

Permendur 50Fe 50Co 0.8 5 160

Amorphe 40Fe 40Ni 14P 6B 5 5 0.8

Par contre, un matriau magntique dur est caractris par une permabilit relative faible

(r 1) et un champ coercitif lev. Les termes0r.HetJsont alors du mme ordre de

grandeur, le matriau ferromagntique dur est une source de flux, ou un aimant.

Tableau 1.2. Caractristiques de Quelques Matriaux Magntiques Durs (aimants).

Matriau Composition (%)Induction rmanente

(T)

Champ coercitif

(A/m)

Alnico cristallisation

dirige

8Al 14Ni 24Co 3Cu

51Fe1.3 63.6

Poudre de fer Fe 0.6 38

Cobalt-platine 50Co 50Pt 0.68 340

Samarium-cobalt SmCo5 0.9 716

I.6.2. Matriaux disolation

Les matriaux disolants utiliss entre conducteurs sont guipage de papier, coton et

amiante, et pour les conducteurs de faible section, on fait maillage ; Et entre conducteur et

masse, on utilise les cartons, toiles huiles et tissus des verres imprgns de vernis de silicone.

D'aprs la CEI : Commission lectrotechnique internationale :


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Tableau I.3 : Classification des Matriaux dIsolants.

Classe T max ( C) Matriaux

Y 90coton, soie, papier et matires organiques similaires sans

imprgnation, ni immersion dans un dilectrique liquide

A 105les mmes matires, mais imprgnes ou immerges dans undilectrique liquide tel que l'huile

E 120maux aux rsines poxydes ou formol-polyvinyle et textilesimprgns de certains plastiques

B 130matires minrales tels que mica, fibre de verre, amiante avecmatires d'agglomration convenables (vernis)

F 155mmes matires mais avec d'autres agglomrant (rsinesalkyles, poxydes, polyesters)

H 180lastomres de silicones ou mica, fibre de verre, amiantesagglomres avec rsines de silicone

C >180 mica sans agglomrant, porcelaine, quartz, verre

ConclusionDans ce chapitre, aprs la prsentation de la constitution gnrale dune machine

asynchrone, son principe de fonctionnement et ses caractristiques. On a termin par

lexpos delcoulement des puissances donc les pertes quil existe ainsi dans cette dernire.

Ensuite, on a galement vu le rle des matriaux entrant dans la fabrication des machines

lectriques et leurs importances comme lments ncessaires dans lamlioration de

fonctionnement de cette dernires.

Dans le deuxime chapitre, on va voir la situation dnergie dans le monde, soit

domestique ou industrielle, en terme des exigences de la rduire dutilisation. En effet, les

tentatives actuellement se basent sur minimisation de consommation dnergie par les

moteurs proprement, qui exige quon fait une recherche bibliographique concernant ce

thme.


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CHAPITRE II

tat de LArt : Matrise

dnergie.


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CHAPITRE II Matrise Dnergie

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Introduction

En raison du manque d'nergie lectrique, des cots levs et pour les contraintes de

temps des nouveaux investissements dans ce domaine, particulirement durant ces dernires

annes. Cela a conduit soutenir le dveloppement des moteurs haut rendement avec un

fonctionnement rendement optimal, ce qui peut mener une conomie substantielle

d'nergie et par consquent d'argent. Dans cet objectif, il a t lanc en 1999, en Algrie un

programme national avec llaboration de la loi 99-09, du 28 juillet 1999 relative la

matrise et la prservation de lnergie lectrique, [13, 14]. Ce programme nous a pousss

la rflexion sur lutilisation des moteurs haut rendement dans un souci de matrise de

lnergie.

On sintressera dans ce chapitre une prsentation dun tat de lart sur les moteurs

haut rendement, avec un rappel sur le concept de la matrise de l'nergie dans les principaux

secteurs, [13]. Lapport des machines lectriques vis--vis de la matrise de l'nergie

lectrique sera galement trait.

On insistera aussi sur le rendement des machines asynchrones, les mthodes et normes

pour les valuer, les facteurs influents et les avantages des MHR.

Finalement, on terminera par la prsentation des moteurs induction produits en Algrie

pour offrir une ide de leurs positions par rapport ceux produits travers le monde.

CHAPITRE II

tat de LArt : Matrise dnergie


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II.1. Matrise dnergie (ME)

La matrise dnergie est actuellement une grande dfie, les chercheurs et les concepteurs

travaillent sur des oprations efficace pour la meilleur utilisation dnergie pour le but de

minimisation de consommation nergtique, et voila, a conduit garder notre environnement

et notre conomie, [15].

Les actions de matrise dnergie dans le monde concernant principalement les secteurs de

btiment, clairage et industrie :

II.1.1. ME dans le btiment

Les btiments consomment la majeure partie de lnergie utilise dans la ville. Cette

nergie est consomme par des machines lectromnagres et les ascenseurs, etc.A lchelle du pays, 45 % de lnergie primaire est employe dans les btiments contre 20 %

dans les transports et 35 % dans lindustrie. La matrise de lnergie dans les btiments

reprsente donc un enjeu urbain majeur, [16, 17].

II.1.2. ME dans lclairage

L'clairage fait partie intgrante de notre vie, nous permettant de raliser toutes nos

activits et contribuant aussi crer des ambiances correspondant notre personnalit ou

notre humeur du moment. Mais un clairage de mauvaise qualit peut gnrer une

augmentation sensible de la consommation d'lectricit. Un clairage efficace ne se mesure

pas au nombre de watts installs mais au choix des quipements et l'usage qui en est fait.

Depuis une dizaine d'anne, les fluo-compactes (ou lampes basse consommation) sont

apparues sur le march. Bien qu'elles soient d'un cot suprieur, elles sont peu

consommatrices en nergie lectrique et durent bien plus longtemps que les lampes

classiques. Par ailleurs elles sont bien adaptes aux pices destines rester allumes

longtemps (sjour, cuisine, clairage extrieuretc.) et sont dotes d'amliorations techniques

(lectronique, forme, miniaturisationetc.) leurs permettant de rpondre aux nouveaux

besoins des utilisateurs, [17].

II.1.3. ME dans l'industrie

La matrise de l'nergie ne concerne pas seulement les btiments ou lclairage mais aussi

l'industrie car cette dernire reprsente une partie importante de la consommation de l'nergie

lectrique. Au del de l'application de la rglementation, la mise en uvre d'actions de


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matrise l'nergie en respectant les consignes environnementales constitue, sur le plan

conomique et social, un facteur dterminant de la comptitivit d'une entreprise, [13].

II.1.4. Effet des machines lectriques sur la ME

La force motrice requise pour oprer les ventilateurs, pompes, refroidisseurs, compresseurs

et autres appareils que lon retrouve en grand nombre dans les difices et industries, est

essentiellement fournie par des moteurs lectriques. Ces moteurs, qui transforment lnergie

lectrique en nergie mcanique, peuvent reprsenter jusqu 60% de lnergie lectrique

consomme dans les industries et 30 % dans les difices bureaux par exemple, [14].

La consommation dlectricit des systmes moteur est dtermine par de nombreux

facteurs, comme :

le rendement du moteur ; un bon dimensionnement ; le contrle de la vitesse du moteur, des marches/arrts ; la qualit de lalimentation lectrique ; le systme de transmission mcanique ; les habitudes de maintenance ; le rendement de lusage final.

Pour bnficier du potentiel dconomies existant, lutilisateur doit chercher optimiser

lensemble du systme moteur, [18].

Bien sr, lapplication de mesures particulires, et le montant dconomie qui en dcoule,

dpend de la taille et de la nature spcifique de votre opration. Seule une valuation de vos

systmes et des besoins de votre socit peut dterminer les mesures qui seront la fois

faisables techniquement et rentables. Ceci peut tre ralis par un fournisseur de service

comptent.

Le tableau ci-dessous montre les mesures principales dconomie dnergie qui peuvent

tre appliques vos systmes. Bien que les valeurs dans le tableau soient des moyennes, leur

impact dpendra des caractristiques prcises de votre installation.


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Tableau II.1 : Mesures dconomie dnergie dans les Systmes dEntranement.

Mesure dconomie dnergie conomies moyennes

Installation ou rnovation du systme

Moteurs haut rendement (EEM) 2-8%Dimensionnement correct 1-3%

Rembobinage de qualit des moteurs (EEMR) 0,5-2%

Moteur vitesse variable (VSD) 10-50%

Transmission haute efficacit 2-10%

Contrle de la qualit de puissance 0,5-3%

Fonctionnement et maintenance du systme

Lubrification, ajustement, calage 1-5%

II.2. Classification de rendement des moteurs lectriques

En Europe, une classification des moteurs basse tension AC a t propose en 1999 et

accepte par les principaux fabricants europens de moteurs. Les classes defficacit

nergtique sont, [19]:

a) EFF1moteurs haut rendement ;b)

EFF2moteurs standards ;

c) EFF3moteurs faible rendement.L'achat des moteurs de Classe EFF1 tant considrablement plus chers, la dure

d'utilisation annuelle dpasse les 4.000 heures. Les cots de consommation et la disponibilit

sont ici les principaux lments qui interviennent dans le choix du moteur lectrique. Dans

tous les autres cas. Des moteurs de Classe II devraient tre utiliss, [20].

Tableau II.2 : Rpartition et Classes du Rendement des Moteurs lectriques.

Puissance Rendement minimalEFF2 (%)

Rendement maximalEFF1 (%)

KW 2 ples 4 ples 2 ples 4 ples

1,1 76.2 76.2 82.2 83.8

2,2 81.0 81.0 85.6 86.4

15,0 89.4 89.4 91.3 91.8

30,0 91.4 91.4 92.9 93.2

45,0 92.5 92.5 93.7 93.9


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II.2.2. Machine haut rendement (MHR)

Lors de l'achat d'un moteur, on doit fournir lutilisateur la liste des caractristiques

techniques dsires. Les fabricants tendent mettre l'accent sur le rendement et la qualit dans

la conception de moteurs plus gros. Les compromis entre divers paramtres de performance

peuvent entraner une diminution du rendement du moteur. Il est donc trs important de

prciser par crit, ds le dbut, le rendement dsir, [21, 22].

i) La performance attendue du moteur : puissance et le facteur de service ; chauffement et la classe d'isolation ; tension d'alimentation ; courant de dmarrage maximal ; couple de dmarrage minimal ; couple de dcrochage (minimal ou maximal) ; plage des facteurs de puissance ; plage des rendements.

ii) Les conditions d'environnement du moteur :

temprature ambiante ; altitude ; taux d'humidit ; degr d'abrasion ; degr de scurit.

iii) La protection ncessaire ainsi que toute option supplmentaire

une protection thermique (systme de thermostat/thermistance) ; un emplacement spcial pour la bote de drivation.

II.2.2.1. Spcifications des moteurs haut rendement

La diffrence entre les moteurs haut rendement et les autres moteurs classiques cest

seulement dans leur construction, tel que les moteurs haut rendement se distinguent par :

L'acier mince et de haute qualit pour les tles des circuits magntiques ; En augmentant la section du stator et du rotor, on rduit la densit des flux

magntiques et, en consquence, les pertes par hystrsis ;

Les pertes par frottement sont diminues par lemploi de paliers plus petits ou demeilleure qualit ;


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L'paisseur de l'entrefer entre le stator et le rotor est trs petit; Une grande longueur ; Les pertes de ventilation peuvent tre rduites en employant des ventilateurs plus

petits. De toute faon, les M.H.R fonctionnent des tempratures plus basses que lesmoteurs classiques.

Pour un cot supplmentaire de 20 30%, les moteurs efficaces, ont un rendement

meilleur de 2 6%, ce qui reprsente des conomies d'nergie significatives.

II.2.2.2. Avantage dutilisation des MHR

Parmi les avantages dutilisation les moteurs asynchrone haut rendement :

Ces moteurs haut rendement produisent la mme puissance de sortie, mais avecune puissance d'entre lectrique moindre que les moteurs standard ;

Fiabilit et rendement suffisamment levs ; Ces moteurs haut rendement son disponibles aux diffrentes puissances et avec

diffrentes vitesses (750, 950, 1500, et de 3000 t/mn) 220/380V ;

L'conomie employer un moteur haut rendement est beaucoup plus grande queson cot initial ;

Ces moteurs haut rendement ont typiquement 30-50 % de pertes infrieures queles moteurs standards quivalents ;

Panne rduite en raison de leur conception et construction ; Donner beaucoup d'annes de service valable au-del de la priode de

remboursement initiale;

L'pargne significative en raison du choix, achat, fonctionnement efficace et correctdu moteur pour une telle application ;

Rduction de la sensibilit du facteur de puissance et le rendement aux fluctuationsde tension et de charge, [22].

II.2.2.3. conomie dnergie par les moteurs haut rendement

Le remplacement dun moteur existant par un moteur haut rendement permet de raliser

des conomies en rduisant sa quantit dnergie lectrique consomm (kWh) et sa puissance.

Il peut galement contribuer amliorer le facteur de puissance de lusine dans certains cas.

Lanalyse de la rentabilit du remplacement dun moteur existant par un moteur haut

rendement permet de vrifier la demande relle ncessaire de cet quipement, qui savre


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souvent trop leve. En effet, la plupart des industries utilisent des moteurs surdimensionns

pour se protger contre les pannes de moteur, se donner la possibilit daccroitre la production

et faire aux fluctuations de la charge. Elles doivent alors payer le cot de cette scurit par un

faible rendement obtenu ses moteur, [18].

II.3. valuation de rendement de la MAS

Le rendement de deux moteurs de mme type et de mme puissance par deux compagnies

distinctes ne sera pas ncessairement identique, car les compagnies ne peut tre pas utilise

exactement les mmes mthodes de calcules de rendement ni les mme normes et parfois ni

les mme matriaux.

Le rendement des systmes de puissance est dune trs grande importante, car ils influentdirectement sur le fonctionnement de la machine, et sur laspect conomique de la

consommation nergtique, [23].

Pour lvaluation du rendement, diverses mthodes sont proposes, parmi ces mthodes on

trouve:

II.3.1. Mthodes et normes de dtermination du rendement

II.3.1.1. MthodesLa comparaison du rendement des moteurs se complique davantage par le fait qu'il existe

plusieurs faons de mesurer le rendement. Le mme moteur valu selon diffrentes normes

de rendement sera class de faon diffrente. Les principales normes sont, [24, 25] :

a) Mthode de la plaque signaltiqueDans laquelle la puissance d'entre et de sortie est directement mesure, selon les normes

d'IEEE, IEC 60034-2 et dABNT NBR. La mesure de puissance d'entre et de sortie,

effectue aprs l'lvation de la temprature pour le fonctionnement en charge. La norme

d'IEEE demande une correction des pertes du stator une temprature indique avant de

dterminer le rendement du moteur.

b) Mthode directeDans laquelle les puissances d'entre et de sortie sont mesures avec la sparation des

pertes et la mesure indirecte des pertes parasites de charge, selon les normes d'IEEE et de

CSA C-390. Les pertes parasites de charge sont dfinies comme toutes les pertes sans lasomme des pertes conventionnelles (pertes lectriques, pertes magntiques et pertes


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mcaniques). Les pertes parasites de charge sont obtenues partir des analyses d'une

rgression linaire pour rduire l'effet des erreurs alatoires dans les mesures d'essai. La

mthode 2 peut fournir des rsultats diffrents de la mthode 1, principalement en raison des

ajustements des pertes parasites de charge dans lesquels toutes les erreurs de mesure d'essaisont incluses.

c) Mthode statistiqueMthode dont les conditions dessais, sont comme vu dans les normes d'IEEE, IEC 60034-

2 et dABNT NBR. Quand deux machines identiques sont couples ensemble et alimentes

partir de deux sources d'nergie spares. Le courant lectrique dans et hors des deux

machines est mesur et la diffrence sont les pertes combines des deux machines.

d) Mthode du circuit quivalent

Mthode avec la mesure directe des pertes parasites de charge et de la sparation des

pertes, selon des normes dIEEE, IEC 60034-2, CSA C-390 et ABNT NBR. Dans cette

mthode, le rendement est indirectement calcul par la dtermination de toutes les pertes

(pertes lectriques, pertes magntiques et pertes mcaniques et les pertes parasites de charge).

Aux normes d'IEEE et de CSA C-390 les pertes parasites de charge sont obtenues directement

partir des essais spcifiques.

e) Mthode des pertes spares

Mthode dans laquelle les paramtres du circuit quivalent sont dtermins, selon des

normes dIEEE, CSA C-390 et ABNT NBR. Le rendement des moteurs est calcul partir

des paramtres du circuit quivalent. Dans cette mthode, il est trs important de prendre

l'impdance du rotor aux basses frquences. La prcision de l'impdance du rotor affectera

considrablement les caractristiques sous la charge. En calculant les paramtres, les

ractances sont corriges la frquence et les rsistances sont corriges une tempratureindique.

II.3.1.2. Normes

a) Norme de la CSAL'association canadienne de normalisation (CSA) a mis au point une norme qui tient

compte des pertes supplmentaires dues la charge mesures indirectement; la mthode

utilise pour les mesurer s'inspire de celle de l'IEEE. La norme de la CSA est cependant plus


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rigoureuse que celle de l'IEEE car elle laisse peu de place aux erreurs d'interprtation

possibles lors des essais de rendement.

b) Norme de lIEEE :La norme de l'IEEE calcule les pertes supplmentaires dues la charge d'une faon

indirecte. Elle vient au deuxime rang pour ce qui est de la prudence des rsultats.

c) Norme de lIEC :La norme de lIEC n'est pas aussi prcise que les normes de la CSA et de l'IEEE qui

calculent les pertes supplmentaires dues la charge de faon prcise. Elle fixe les pertes

supplmentaires dues la charge 0,5 % de la puissance absorbe en plus d'accorder une

tolrance au rendement.d) Norme de la JEC :

La norme de la JEC fixe zro les pertes supplmentaires dues la charge et accorde une

tolrance de 0,7 % au rendement dclar. Cette mthode donne lieu une survaluation du

rendement du moteur lorsque les pertes supplmentaires dues la charge sont suprieures

zro.

II.3.1.3. Comparaison entre les normes

Il est difficile de comparer deux moteurs lorsque leur rendement a t mesur selon des

normes diffrentes. Et mme lorsque les normes sont les mmes, il peut tre difficile

de comparer le rendement de deux compagnies diffrentes parce qu'elles peuvent bien avoir

utilis des instruments de mesure diffrents. Il sensuit donc que les rendements de moteurs

dtermins selon les diverses normes ne sont pas comparables. Les diffrences peuvent

atteindre 5 points de pourcentage ou davantage, [16, 25].

On considre, de faon gnrale, que la norme CSA C390 (IEEE 112 mthode B) constituela mthode la plus prcise. Une harmonisation future des diverses normes est probable, mais

sa mise en application va demander du temps.

II.3.2. Facteurs Influents sur le rendement des moteurs lectriques

Il y a un nombre de facteurs relatifs au fonctionnement et lentretien du moteur qui ont

un grand effet sur son rendement. Dans le but de maintenir et damliorer le rendement de

fonctionnement du moteur, plusieurs facteurs peuvent tre utiliss: le rendement et les

techniques de commande du moteur, la qualit du systme d'alimentation, le rseau de


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distribution, la taille des moteurs lectriques, les moyens mcaniques de transmission, les

problmes dentretien, cycles de gestion de chargeetc, [26].

Qualit d'alimentation en nergieLes moteurs lectriques et en particulier moteurs induction, sont conus pour fonctionner

dans des conditions optimales, une fois aliments par des formes d'ondes sinusodales

triphases symtriques avec la valeur de tension nominale. Les dviations de ces conditions

idales peuvent causer la dtrioration significative du rendement et une rduction de la vie de

moteur ; exemple des alimentations travers des convertisseurs ou les formes dondes sont

riches en harmoniques.

Charge du moteurLa charge du moteur peut avoir aussi un effet significatif sur son rendement. Un moteur

charg plus de 50% a un rendement relativement stable. A charge plus faible, le rendement

diminue considrablement. Les faibles rendements sont dus aux charges inadaptes (les sur

charges) ou un fonctionnement vide des moteurs ; de telles conditions doivent tre vites.

Maintenance du moteurLes moteurs fonctionnent plus efficacement, durent plus longtemps et ncessitent moins

dattention sils sont nettoys, refroidis, schs et lubrifies correctement. Les moteursinstalls dans un environnement svre et exposs une grande humidit et un lavage

frquent ont une dure de vie largement au dessous de la moyenne. Des corps trangers ne

doivent pas bloquer les branchements corrects font prolonger la dure de vie du moteur et

maintiennent un rendement optimal.

Plage dutilisation des moteursDune manire gnrale le rendement () des moteurs lectriques prend une valeur

maximal pour : 0.6 In I1 1.0In, car dans cette plage on considre, que le rapport des pertes

la puissance consomme est minimal. En dehors de cette plage, les pertes devenant

beaucoup plus prpondrantes, entranent la croissance de ce rapport donc une rduction du

rendement ().


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II.4. Amlioration du rendement dune MAS

Gnralement, pour amliorer le rendement des moteurs, deux approches peuvent tre

adoptes:

II.4.1. Procdure de commande

La plupart des installations mettant en jeu des dbits tels que pompes, ventilateurs et

compresseurs sont utilises sans rguler la vitesse de ces moteurs. Le plus souvent, on se

contente de modifier de manire conventionnelle le dbit en agissant par tranglement ou en

utilisant des vannes ou des volets dair. Mais lorsque le dbit nest pas rgul en jouant sur la

vitesse de rotation des moteurs, ceux-ci tournent en permanence pleine vitesse. Un systme

sans rgulation de la vitesse gaspille la plupart du temps des quantits considrablesdnergie. Une rgulation de la vitesse des moteurs avec des variateurs de frquence permet

dconomiser jusqu 70% dnergie, [27].

a) Variateurs de vitesseLe variateur de vitesse pour moteur asynchrone reprend les mmes principes de base que

le variateur pour moteur courant continu.

Lapparition sur le march de variateurs de vitesse conomiques pour moteur asynchrone

est assez rcente.

Lvolution des technologies a permis la ralisation de variateurs conomiques fiables

et performants.

i) Convertisseur de frquenceLe convertisseur de frquence, aliment tension et frquence fixes par le rseau, assure

au moteur, en fonction des exigences de vitesse, son alimentation en courant alternatif

tension et frquence variables.Pour alimenter convenablement un moteur asynchrone couple constant quelle que soit

la vitesse, il est ncessaire de maintenir le flux constant. Ceci ncessite que la tension et la

frquence voluent simultanment et dans les mmes proportions.

Le circuit de puissance est constitu par un redresseur et un onduleur qui, partir de

la tension redresse, produit une tension damplitude et frquence variables (Figure II.1). Pour

respecter la directive CE - Communaut Europenne - et les normes associes, un filtre

rseau est plac en amont du pont redresseur.


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Figure II.1 : Schma de Principe dun Convertisseur de Frquence.

ii) GradateurCe dispositif de variation de tension, figure II.2exploitable pour lclairage et le chauffage,

nest pratiquement plus utilis comme variateur de vitesse.Par le pass, cette solution a t utilise avec des moteurs asynchrones cage rsistante ou

bagues. On voit clairement quune variation de vitesse est possible en faisant varier la

tension et en particulier avec un moteur cage rsistante. Ces moteurs asynchrones sont dans

la majorit des cas triphass, occasionnellement monophass pour les petites puissances

(jusqu 3 kW environ). Autrefois populaires pour certaines applications, telle la variation de

vitesse des petits ventilateurs, les gradateurs ont quasiment disparu au profit des

convertisseurs de frquence plus conomiques en phase dexploitation

Il est utilis comme dmarreur ralentisseur progressif, dans la mesure o un couple de

dmarrage lev nest pas ncessaire et permet de limiter lappel de courant, la chute de

tension qui en dcoule et les chocs mcaniques dus lapparition brutale du couple.

Figure II.2 : Dmarreur de Moteurs Asynchrones et Forme du Courant dAlimentation.

b) Lois de commande du moteur asynchroneLes variateurs de vitesse pour moteur asynchrone de premire gnration utilisaient une loi

de commande, dite en U/F dite galement commande scalaire, seule possibilit ralisableconomiquement. Lapparition des microprocesseurs et de leur puissance de calcul a permis


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dappliquer la commande vectorielle, infiniment plus performante. Les constructeurs

proposent sur la majorit de leurs produits la commande scalaire, la commande vectorielle

sans capteur et sur certains variateurs, la commande vectorielle avec capteur, [10].

Choix du moteurLes convertisseurs de frquence peuvent alimenter des moteurs standards, sans prcaution

particulire, si ce nest le dclassement basse vitesse dans le cas de moteurs moto-ventils.

Il sera toujours prfrable, cependant, de choisir le moteur ayant le meilleur rendement et

le plus haut cos().

Dans les faibles puissances, le choix dune moto variateur synchrone peut tre judicieux en

raison du rendement suprieur.

Nature de la chargeLes convertisseurs de frquence simposent pour le rglage de dbit des pompes et

ventilateurs en raison de la caractristique de couple de ces charges.

Lusage de variateurs de vitesse par rapport des fonctionnements tout ou rien ou des

systmes de rglage faisant appel des vannes, des volets ou des clapets permet des

conomies substantielles dnergie.

La documentation des constructeurs donne des exemples de calcul dconomie dnergie

permettant destimer le retour sur investissement.

Cette conomie ne peut tre value quen connaissant parfaitement lapplication et les

spcialistes des constructeurs sont en mesure de guider le choix de lutilisateur.

Rduction de la maintenanceLes convertisseurs de frquence et les dmarreurs lectroniques effectuent un dmarrage

progressif qui limine les contraintes mcaniques imposes la machine pouvant ainsi tre

optimise directement la conception.Dans le cas de la commande multi-moteur (ex. station de pompage), une gestion

approprie des moteurs permet dquilibrer les heures de fonctionnement de chacun dentre

eux et daugmenter la disponibilit et lendurance de linstallation.

II.4.2. Procdure de la conception

La dmarche de la conception des machines lectriques semble simple et squentielle

comme illustre sur la figure II.3.


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partir dun cahier des charges clairement exprim, le concepteur la tche de le traduire

dans lun des formalismes mathmatiques. Pour chaque formulation, il existe des multitudes

solutions adapts. Enfin, lexploitation et lanalyse des rsultats par le concepteur expert

travers un prototype ralis, [28].

Figure II.3 : Dmarche dune Rsolution dun Problme de Conception.

La squence mentionne prcdente rentre dans laxe de la conception par la mthode

traditionnelle ou classique avec ses inconvnients.

En effet, Le sujet de notre projet propose une solution alternative. Cette solution est diteCAO optimise, qui ncessite un banc dessai virtuel et un choix convenable dune mthode

doptimisation pour rpondre certaine performance.

Commenant par lexposition de la mthode de conception analytique dans le troisime

chapitre, par la suite une synthse des mthodes doptimisations et lapplication sur une

machine asynchrone dans le dernier chapitre.

II.5. Moteurs induction produits en Algrie

II.5.1. E.E.I Azazga

En fait, lectro-Industries est leader en lectrotechnique au niveau national." Aujourdhui,

lentreprise produit son propre label aprs une production sous licence Siemens. Depuis le

mois de mai 2004, cette EPE possde une certification ISO 9001 version 2000. Depuis sa

transformation en SPA, lentreprise a adopt une dmarche qui lui assure son quilibre actuel:

produits de qualit et une politique rigide de lemploi. Cela lui permet de faire front

plusieurs dfis : des approvisionnements, [13].

II.5.2. Gamme de fabrication

Les moteurs lectriques, basses tensions, fabriqus par Electro-industries Azazga sont des

types asynchrones triphass une ou deux vitesses, et monophass condensateurs. De

construction ferme, carcasse ventil, en alliage daluminium et en fonte. Les rotors sont en

court circuits, cage dcureuil, en aluminium pour (petits et moyens moteurs) et en barres de

cuivre (grands moteurs), [29].

Analyse du cahierde charges

Formulation deproblme

Performances


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II.5.3. Caractristique gnrales

Les caractristiques ci-dessous sont relatives aux moteurs standards. :

Tension nominales 50 Hz : 220 V -380 V -660 V (Tolrance 5%) ; Type de service : S1 continu (Temprature ambiante 40 C et altitude 1000 m) ; Classe disolation : F (tropicalise) ; Refroidissement et ventilation : ventilateur externe mont sur larbre, protg par un

capot ;

Formes de construction : B3B5B35 ; quilibrage dynamique des rotors avec clavettes ; Degr de protection : IP54IP55 ; Paliers des moteurs de HA 71 250 mm sont graisss vie ; Paliers des moteurs de HA 280 400 mm sont munis dun dispositif de graissage ; Peinture standard : 111gris pierre RAL 7030 ; Des moteurs spcifiques peuvent tre fournis sur la demande.

II.5.4. Normes

Les moteurs sont conformes aux normes suivantes, [29] :

CEI 34-1 : Machines lectriques tournantesCaractristique assignes et defonctionnement ;

CEI 34-2 : Mthodes pour la dtermination des pertes et du rendement ; CEI 34-5 : Classification des degrs de protection (code IP) ; CEI 34-6 : Modes de refroidissement (code IC) ; CEI 34-7 : Classification des formes de construction et des dispositions de montage

(code M) ;

CEI 34-8 : Marques dextrmit et sens de rotation ; CEI 34-9 : Limites d

optimisation par essaim de particules oep : application à l'amélioration des moteursel-azazga,...

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