2012年9月16日星期日

fonctionnement AGV


L' AGV
L'AGV qui signifie en fait Automotrice à Grande Vitesse est un train capable de circuler à la vitesse de 360 km/h grâce à une motorisation répartie dans chaque bogie et une architecture articulée; d'où le terme « automotrice ».
L'AGV, qui a une capacité d'accueil de 650 places au maximum contre 500 places pour l'actuel TGV Dupleix, a été élaboré par Alstom pour pulvériser le TGV même si l'AGV en a repris l'un des concepts.
Ainsi, le point commun du TGV et de l'AGV est que chaque rame sont indépendantes des unes des autres, mais, en plus la motorisation est présente sur chaque bogie.
Un bogie est placé sous un train, c' est une sorte de chariot où sont fixés les essieux( une barre placé entre les roues) et, par conséquent, les roues.
Le bogie est utilisé pour les TGV mais, aussi, pour les AGV car il est d'une très grande mobilité et qu'il permet de modifier la forme de l'AGV dans les courbes pour que l'AGV puisse "épouser" les courbes.
Cette motorisation  permet:
- d'adapter le nombre de voitures en fonction du nombre de voiture
- en cas de problème le train ne s'arette pas ni en cas de panne de l'un des moteurs
Pour continuer avec les comparaisons entre l'AGV et le TGV, la conception de l'AGV par Alstom a permis d'alléger la masse des AGV de 50 tonnes par rapport aux TGV et trains.
Aucune comparaison possible avec la motorisation de l'AGV et du TGV. En effet, les TGV, rappelons le, sont propulsés à l'aide de 2 motrices ( une à l'avant et l'autre à l'arrière du TGV) ; quand à l'AGV, tous les wagons possèdent une motrice ce qui permettrait, après, d'augmenter progressivement le nombre de passagers car l'AGV ne serait pas limiter, comme le TGV, à un problème de puissance des moteurs vu que chaque « voiture » est muni d'un moteur.
Les moteurs utilisés pour la fabrication des AGV sont les moteurs asynchrones, terme qui signifie que la vitesse des moteurs asynchrones n'est pas forcément proportionnel à la fréquence des courants qui les traversent. Les moteurs asynchrones sont des moteurs délivrant des courants alternatifs et ce moteur est principalement relié à un réseau triphasé.
LA MACHINE ASYNCHRONE OU A COURANT ALTERNATIF :
La machine est dite asynchrone car elle est dans l'impossibilité, sans la présence d'un entraînement extérieur, d'atteindre la même vitesse que le champ statorique. En effet, dans ce cas, vu dans le rotor, il n'y aurait pas de variation de champ magnétique ; les courants s'annuleraient, de même que le couple qu'ils produisent, et la machine ne serait plus entraînée. La différence de vitesse entre le rotor et le champ statorique est appeléevitesse de glissement.
GLISSEMENT D'UNE MACHINE ASYNCHRONE :

Definition :
Le glissement d'une machine asynchrone est l'écart entre la vitesse de rotation d'une machine asynchrone et d'une machine synchrone utilisant le même stator
Le glissement sous la forme d'un pourcentage et est toujours faible ( de 2% pour les machines les plus lourd, de 6% pour les petites machines triphasés et au maximum de 10% pour les petites machines monophasées . Les pertes par Effet Joule dans le rotor étant proportionnelles au glissement, une machine de qualité se doit de fonctionner avec un faible glissement. 
Le glissement est calculé à l'aide de n qui est la fréquence de rotation de la machine asynchrone:
g = {{{Ns - N} \over Ns} \times 100}
Le glissement peut aussi être calculé à partir des vitesses angulaires:
g = \frac{\omega_s-\omega}{\omega_s} \, avec :
  • Ws la vitesse angulaire de synchronisme du champ statorique dans la machine.
  • W la vitesse angulaire de rotation de la machine.
Cette vitesse de glissement est régulée à l'aide d'un variateur de vitesse:
Un variateur de vitesse est constitué d'un convertisseur statique qui sont, bien souvent, un hacheur ou un onduleur , et d'une electronique de commande qui la régulation et l'asservissement de la machine asynchrone.
Les moteurs asynchrones sont munis, comme les moteurs synchrones:
- d'un stator qui est directement relié au réseau ou à un variateur de vitesse
- d'un rotor qui est constitué de conducteurs en court-circuit qui sont parcourus par des courants produit par le champ magnétique des courants statoriques (courants du stator).
C'est la différence majeure entre les courants asynchrones et continu dont ces derniers sont alimentés par un champ magnétique provenant d'aimants permanents ou de bobines dans le stator alimenté en courant continu.
Ainsi, le fonctionnement général du moteur asynchrone est que les courants du stator créent un champs magnétique tournant dans ce même stator. La fréquence de ce champ est imposé par la fréquence des courants du stator. Donc, le principe premier est que la vitesse de rotation est proportionnelle à la fréquence de l'alimentation électrique et se traduit par:

en tr/s ou n_s = \frac {60 f}{p}\, en tr/min.
Ns = fréquence de rotation du champ statorique
f = fréquence du courant
p = nombre de paire de pôles

Le second grand principe appliqué au moteur asynchrone est la loi de Lenz. Explication:

Il existe des variations du champ magnétique statorique qui crée une force électromotrice qui se retrouve dans le rotor. Alors, il faut mettre le rotor en mouvement afin de s'opposer à la variation de flux d'où la loi de Lenz:

On en déduit que seul l'activité du stator est déterminante car c'est lui qui va produire un champ magnétique necessaire pour l'apparition des courants rotoriques.


DEMARRAGE D'UNE MACHINE ASYNCHRONE :

Comme tout les moteurs, le démarrage d'un même moteur necessite une plus forte énergie, dans le cas d'un moteur asynchrone peut atteindre de 4 à 8 fois le courant moyen de la machine. Pour le démarrage, l' AGV utilise un type de démarage, le démmarage rotorique:

Au cours du démarrage rotorique, des résistances de puissances sont insérées en série avec les enroulements du rotor mais ce type de démarrage necessite l'emplois de balais qui sont présents, bien heuresement, dans les moteurs de l'AGV.


FREINAGE D'UNE MACHINE ASYNCHRONE :

Pour les AGV, le freinage utilisé est l'Arrêt à contre-courant:

Ce type de freinage consiste à inverser l'activité du moteur pour que son energie fasse arrêter le train; ce type de freinage est similaire au freinage hypersynchrone. Les enroulements du moteurs risquent la sur-chauffe donc, il faut prévoir de couper l'alimentation sinon la rotation s'inverse et le train ne s'arrête pas.

Cepandant, les machines asynchrones tel qu'elles sont, ont besoin d'un stator et d'un rotor; Comment sont fabriqués les rotors et les stators?

LE ROTOR :

Le rotor de l'AGV est le plus souvent, un rotor à cage ( ou rotor en court-circuit); ce rotor est composé de tôles

ferromagnétiques et de bares conductrices, reliés entre elles par des anneaux qui sont, régulièrement, réparties à la périphérie du rotor, c'est à dire qu'elles constituent l'enveloppe du rotor.

Les tôles ferromagnétiques le champs magnétique à travers les différentes zones du rotor alors que les bares acceuillent les différents courants. Pour les moteurs de l'AGV, les barres et les anneaux de court-circuit, qui les relies sont un alliage d'aluminium , mais on peut rencontrer du cuivre et du laiton pour la fabrication de ces composants. Cependant, si les barres seraient, parfaitement, verticales, le nombre de barres sous une phase statorique ne seraient pas constant par rapport à la position du rotor.
Donc, il faut donc que les barres soit légèrement inclinés dans le rotor; ce procédé permet de diminuer la variation de la réluctance du circuit magnétique au cours de la rotation du rotor (ou « effet d'encoches »). La réluctance est une propriété physique : l'aptitude d'un circuit magnétique à s'opposer à sa pénétration par un champ magnétique. En clair il s'agit, en fait, d'inverser l'activité du circuit magnétique grâce au champ magnétique
De plus, cette inclinaison permet de donner la forme d'une cage d'écureuil déformée:

LE STATOR :

Le stator de la machine asynchrone de l'AGV est constitué d'un cylindre ferromagnétique(= cylindres en fer aimanté) entaillé d'encoches pour y placer les bobinages.

Ce cylindre est constitué de fines plaques de tôles empilés pour limiter les courants de foulcault
Alors les courants de Foucault, physicien français qui a découvert ces courants en 1851, sont les courants électriques crées par la variation du flux du champ magnétique à travers le milieu où se produit le champ au cours du temps, ou, cela peut-être, un déplacement de masse dans un champ magnétique constant.
Souvent, les bobinages possèdent un disjoncteur thermique ou un capteur de température qui va ainsi réguler et couper la température si le moteur dépasse un certain seuil de température ou seuil thermique.

METHODE DE CALCUL DES FLUX DU CHAMP MAGNETIQUE :

Pour calculer la fréquence et donc la vitesse de rotation, la méthode employée ets de partir du but à atteindre et de remonter vers le départ. Ainsi, on considère que l'on connait les courants statoriques et rotoriques et l'on en déduit les flux du champ magnétique qu'ils produisent.

Alors on considère que la machine possède une seule paire de pôles.

    On utilise un code universel pour qualifier les différentes pièces de la machine à courant asynchrone :
  • Toutes les grandeurs statoriques sont repérées soit par l'indice S soit par des indices en majuscule.
  • Toutes les grandeurs rotoriques sont repérées soit par l'indice r soit par des indices en minuscule.
    Donc, pour calculer les flux du champ magnétique, on utilise la loi d'Ohm et la loi de Faraday qui veut que il y'ait une différence d'angle entre le rotor et le stator d'où l'utilisation de l'angle  \theta (t) = \Omega_m .t \,correspond au décalage angulaire entre le stator et le rotor.
On utilise, alors, la vitesse angulaire  \Omega_m = \omega_S - \omega_r = (1-g) . \omega_S \,
Hypothèses :
Son circuit magnétique est homogène et non saturé.
Ce principe fait intervenir l'inductance d'un circuit électrique qui est en générale les bobines du moteur asynchrone et est déterminer en Henry(H).
Ses diverses inductances sont constantes. Elle est aussi parfaitement équilibrée :
  • les courants des trois phases statoriques ont la même valeur efficace IS.
  • les courants des trois phases rotoriques ont la même valeur efficace Ir.

BILAN DE PUISSANCE DE LA MACHINE FONCTIONNANT EN MOTEUR :

On utilise les notations suivantes :
  • Pa : puissance absorbée ou puissance électrique fournie à la machine
    Pu : puissance utile ou puissance mécanique transmise à la charge
Les pertes sont généralement notées en minuscule :
  • pJs: pertes par effet Joule dans le bobinage du stator
  •  pfs: pertes dans le fer du stator
  •  pJr: pertes par effet Joule dans le cuivre (barres + anneaux) du rotor
  •  pfr: pertes dans le fer du rotor.

Cepandant, les pertes dans le fer du rotor sont souvent négligées car ces pertes dépendent de la fréquence des courants dans le rotor qui sont bien souvent faibles et le sont dans le cas de l'AGV car la fréquence des courants est élevée quand les glissements sont élevées ce qui n'est pas le cas chez l'AGV.

  •  pm: pertes mécaniques 
Le schéma ci-dessous représente la transmission de la puissance à travers la machine :

Image:Bilan de Puissance d'un moteur asynchrone.png
Ptr = Pa – pJs -pfs est la puissance transmise au rotor
On peut vérifier que Pjr = g.Ptr, d'où Pu=(1-g) Ptr - Pm si l'on néglige p_{fr} \,.

BILAN DE PUISSANCE DE LA MACHINE FONCTIONNANT EN GENERATRICE :


Par rapport au cas précédent, la puissance utile devient la puissance électrique fournie au réseau et la puissance mécanique est la puissance absorbée.
  • P_a \,  : puissance absorbée = puissance mécanique fournie à la machine,
  • P_u \,  : puissance utile = puissance électrique transmise au réseau.
Les pertes sont les mêmes que pour le fonctionnement en moteur.
AVANTAGES DU MOTEUR ASYNCHRONE :
Ces moteurs sont très avantageux:
-simple à construire
-simple à utiliser
-simple à entretenir
-robuste
-son prix
Mais les ingénieurs vont poursuivre leurs études sur le couple Pantographe-caténaire;
Le pantographe est un dispositif articulé qui permet à la caténaire de capter le courant électrique
Les ingénieurs vont chercher à déterminer l'effort produit sur la caténaire à différentes vitesses pour allonger la durée de vie de la caténaire. 
L'utilisation de l'aluminium et de matériaux composites, pour le moteur mais aussi pour le restant du train, ont permis aux ingénieurs d'Alstom d'alléger la masse des voitures. Puis l'utilisation d'aimants permanents dans les moteurs permet d'utiliser des moteurs à faible consommation d'énergie et qu'ils permettent un gain de place, vu que les moteurs disparaissent entre les bogies et le plancher.
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