Soutenance mémoire
Force de lévitation (répulsion)
Supposons que, à un instant donné, le centre du pole N de l’aimant passe au dessus du conducteur 2. Le champ magnétique balayant ce conducteur y induit une tension qui est alors maximale. Si l’aimant se déplace lentement, le courant induit dans ce conducteur atteint sa valeur maximale en même temps que la tension.
Ce courant, revenant par les conducteurs 1 et 3 crée des pôles magnétiques n et s comme l’indique la figure.
On constate alors que, selon la loi de l’attraction et de répulsion, la partie avant de l’aimant est repoussée vers le haute et que la partie arrière est attirée vers le bas.
Comme la distribution des pôles n et s est symétrique par rapport au centre de l’aimant, les forces verticales d’attraction et de répulsion sont égales et la force résultantes est nulle; il ne reste donc que la force de traction horizontale.(force externe) Supposons maintenant que l’aimant se déplace très rapidement. A cause de l’inductance des conducteurs, le courant dans le conducteur 2 atteint sa valeur maximale une fraction de seconde après le maximum de tension induite.
Par conséquent, lorsque le courant dans le conducteur 2 est maximal, l’aimant se trouve déjà à une certaine distance en avant de ce conducteur. Le courant, revenant par les conducteurs 1 et 3 crée encore des pôles n et s comme auparavant ; cependant, le pole
N de l’aimant se trouve maintenant entièrement au dessus d’un pole n et il en résulte une force verticale importante qui repousse l’aimant mobile vers le haut.
C’est le principe de la sustentation magnétique.
Présentation de la machine
Généralité
En se basant sur la figure VI-8, imaginons que l’on relie les quatre extrémités de chaque constituant pour former un tube. Les propriétés physiques ne sont pas altérées et on obtient une machine de type tubulaire, celle sur lequel le travail se porte.
Au repos, le mover repose mécaniquement sur ses appuis (2 paliers lisses « Igus »). C’est seulement lorsque les bobines sont alimentées que la force de lévitation fait que la machine est sustentée naturellement. Il n’y a donc théoriquement pas de frottement en fonctionnement.
Matériaux utilisés
Les tôles empilées entre chaque bobine sont faites avec un matériau ferromagnétique afin de canaliser le flux dans le sens voulu et afin d’éviter au maximum les courants de Foucaultstatoriques.
Matériau utilisé : M 270-50A AMFCE (Même matériau que pour une machine rotatif)
Le tubeest fait d’unmatériau paramagnétique conducteur, car il faut que :
– Le flux transversal pénètre le tube sans que celui-ci soit canalisé sur sa géométrie.
– Le flux transversal doit pouvoir créer des courants induits dans le matériau d’où la nécessité qu’il soit conducteur électrique.
Analogie entre les grandeurs d’une machine tournante et d’une machine linéaire
Outre le phénomène de dissymétrie mentionné précédemment qui différencie la machine linéaire d’une machine tournante, il convient à présent de définir l’ensemble des analogies.
Machine tournante
Dans une machine polyphasée tournante, les bobines rotoriques ou statoriques sont positionnées dans l’espace géométrique de manière uniforme.
– L’angle d’ouverture entre deux bobines de la même phase est de π.
– L’angle entre chacune d’elle est donné par la relation: p étant le nombre de paire de pôles et n le nombre de phases
Physique du déplacement du mover
Repérage préalable des phases
Il faut impérativement repérer les phases pour que l’ensemble du flux sur les pas polaires soit cohérent. La façon d’opérer est identique à la mesure des mutuelles d’inductances.
On alimente une phase de la machine avec une tension alternative. Le courant variable dans la phase en question va produire un flux variable qui va traverser les bobines des deux autres phases et ainsi produire une fem induite. C’est le sens de la fem induite par rapport à la fem d’alimentation qui va déterminer les fils à connecter pour créer le point étoile.
Le schéma électrique de la figure IX-1 montre le sens de la tension induite dans le bobinage noir ainsi que les lignes de flux.
Si la tension induite est en opposition par rapport à la tension d’alimentation. Le potentiel bas est à connecter en étoile. Si le cas inverse se présente, c’est le potentiel haut à connecter en étoile
Le repérage de la troisième phase est identique.
Matériel pour piloter les deux machines
B&R Automation
Parmi les différents variateurs existant sur le marché français (Leroy somer, Emerson, B&R Automation, Schneider Electric…) nous devons choisir un variateur permettant de contrôler l’axe suivant un profil de déplacement spécifique.
Nous avons opté pour la société B&R qui a été la seule a indiquer que son matériel pouvait répondre à notre cahier des charges, de plus cette société possède une antenne qui se trouve en Seine et Marne.
La société B&R(Bernecker + Rainer Industrie-Elektronik Ges.m.b.H.) est une société autrichienne fondée en 1979 par Erwin Bernecker et Josef Rainer en Autriche. B&R conçoit, fabrique et commercialise des produits et solutions d’automatisation à destination des constructeurs de machines, des intégrateurs et des exploitants d’installations ou utilisateurs finaux. Ses services comprennent la formation, le développement d’applications, le support technique et le service après-vente.
Matériels utilisés pour le banc d’essai
La commande du variateur se fera à l’aide d’Automation Studioqui est le logiciel de programmation (version SP 06).
Le matériel mis en œuvre est décrit ci dessous, à noter que le matériel nécessite un schéma de liaison à la terre de type IT ou alors un schéma TT avec un disjoncteur différentiel 300 mA immunisé. Ceci est nécessaire du fait du fort appel de courant homopolaire à la mise sous tension.
DISJONCTEUR DIFFERENTIEL : Le disjoncteur doit être triphasé de type HP 300 mA. Un Relevé des caractéristiques des courants homopolaire à la mise sous tension se situe en annexe D.
FILTER : Le but de ce filtre est de filtrer les harmoniques que renvoie l’ensemble du matérielsur le réseau.
REGENERATION CHOKE : Bobines couplées pour permettre de renvoyer de l’énergie au réseau. POWER SUPPLY (rectifier) : Fonctionne en mode redresseur (380V AC en 750V DC). AUXILIARY SUPPLY : Bloc contenant un convertisseur 750V-24Vpour l’alimentation des auxiliaires (Dans notre cas on alimente le power panel)
INVERTER : Onduleur/variateur connecté au moteur POWER PANEL : Ecran d’interface homme machine et automate intégré MEMORY CARD : Contient les informations sur le programme et surtout sur la désignation des éléments qui lui sont connectés PC: Pc servant à se connecter à l’automate (transfert/modification du programme, visualisation des entrés – sorties en temps réel).
Généralité sur la configuration des axes moteurs
Première configuration
Dans certaines applications, il est possible que l’on veuille qu’un ensemble de moteurs sur une chaine d’assemblage suivent un seul et même profil (une cadence par exemple) d’un autre moteur jouant ainsi l’office de «moteur maitre ».
1er exemple : Sur la figure XI-1 est représenté le synoptique d’une découpe de tôle. Bien que le moteur qui déroule le rouleau de manière continue, des irrégularités peuvent exister suite au déroulement de la bobine. Ainsi, afin de maintenir les dimensions de coupe, une temporisation sur le moteur de coupe ne serait donc pas optimale.
Il est préférable dans ce type de procédé que le moteur effectuant la coupe (esclave) dépend de la quantité déroulé par le moteur dérouleur (maitre). Ainsi la précision est assurée.
Logigramme de la gestion des erreurs
Lors de l’appel d’un bloc de fonction une erreur peut survenir. Cette erreur peut être unique ou suivie d’une erreur au sein du variateur (erreur interne) ce qui entrainera la mise hors tension du moteur.
La lecture des erreurs internes se fait par le bloc de fonction MC_ReadAxisError. Ce bloc doit toujours être lu cycliquement.
La gestion globale des erreurs consiste dans un premier temps à distinguer les deux types d’erreur et de les « reseter » l’une après l’autre jusqu’à la dernière pour que le système puisse être à nouveau opérationnel.
La représentation sous forme de grafcet étant complexe, la gestion des erreurs sera représentée sous forme de logigramme.
Commande intégrée par le variateur, architecture des boucles de régulation
Le logiciel offre une commande scalaire ou une commande vectorielle indirecte. Etant donné que c’est la position du mover qui est à piloter, la commande vectorielle s’impose.
Définition de la commande vectorielle :
La commande vectorielle consiste à piloter la position de l’arbre à chaque instant, ce qui requiert de connaitre la position du flux dans l’entrefer.
Une solution consiste alors à mesurer par le biais de capteurs le flux résultant (phase et amplitude) de manière directe. Cette solution a l’avantage d’être précise mais en revanche, la fragilité de la sonde soumise à la température de la machine et aux vibrations rend l’application de cette solution moins attractive.
La deuxième solution, qui est la commande vectorielle indirecte, consiste à connaître de façon précise la position du rotor pour pouvoir déterminer la position du flux rotorique.
Mise en application du programme : Essais préalables, première constatation
Un travail important à été consacré pour la mise en œuvre du programme(programme en annexe 1.4). L’acquisition de la méthodologie de la programmation et celle du logiciel s’est finalement traduite comme l’occupationprincipale dece mémoire.
Les premiers relevés de mesures ont été faits en paramétrant les paramètres moteurs avec ceux déterminés au paragraphe VII D.
Ainsi des mesures ont été réalisées pour différentes fréquences de battement et de distance de déplacement du mover avec le programme.
1ère constatation
L’élévation de la température au niveau de la culasse par rapport à une machine tournante asynchrone de même puissance est élevée.
La figure XIV-1 représente un relevé de température en surface pour f=1 Hz et d= 40mm. Les mesures ont été effectuées jusqu’à 50degrés pour ne pas endommager le moteur, mais l’élévation de température croit linéairement bien au-delà de cette valeur.
Remarque : La constante de temps thermique fait que l’élévation continue pendant un certain temps après la mise à l’arrêt.
Conclusions et Perspectives
L’objectif principal de ce mémoire d’ingénieur Cnam était de développer et mettre en œuvre un banc d’essai comprenant 2 machines asynchrones linéaires montées en opposition pilotées par du matériel industriel. Ce premier objectif a été atteint.
Le second objectif était de développer le logiciel qui permet de piloter les 2 machines, l’un en moteur et l’autre en générateur. Ce second objectif a été atteint.
Le troisième objectif était de générer de l’énergie électrique via la machine asynchrone utilisée comme génératrice.
Cet objectif n’a pas pu être validé.
En synthèse, nous avons pu développer un banc d’essai qui permettre d’étudier les machines linéaires et de comparer les modélisations réalisées lors des précédant travaux en régime dynamique. En effet, actuellement seul les modèles statiques ont été validés. Nous avons mis en œuvre des moyens d’essai qui peuvent aussi servir à mieux comprendre le fonctionnement de ces machines asynchrones linéaires utilisées en hautes dynamiques. Nous avons notamment pu faire fonctionner le banc à des fréquences de plus de plus de 20 Hz sur des courses de 10mm.
Le matériel BR automation utilisé pour le contrôle commande de nos machines asynchrones linéaires n’est pas parfaitement adapté. Il faudrait que nous puissions modifier des paramètres liés au control commande et notamment pouvoir avoir des paramètres variables en fonction de la vitesse. Ce matériel est cependant très « puissant » en terme de possibilité. Il nous a permis grâce à ses nombreuses fonctionnalités de faire des mesures qui auraient été délicates par des appareils externes au système. Nous avons par exemple accès aux courants instantanés, aux courants dans le repère de Park, etc… en fonction de la position.
Concernant les machines construites par la société Servat, mis à part des problèmes d’isolements qui ont été rapidement détectés et réglés, les machines sont fiables. Le principe de sustentation indiqué en début de mémoire est vérifié et permet de soulager les guidages linéaires. Lors du fonctionnement, qui n’est pas optimisé comme nous l’avons indiqué (problème de glissements trop importants), la machine utilisée en moteur est sujet à des pertes fer et joule importante, la température importante n’a pas gêné le fonctionnement. Cela prouve qu’elle peut être utilisée en milieu chaud comme un cogénérateur.
Concernant l’aspect « système », le banc a permis de soulever un problème de contrôle commande. Nous avons mesuré des glissements trop importants, nous avons suspecté des problèmes de paramètres « moteur » à entrer dans le variateur. La variation de ces paramètres impacte effectivement le glissement et les performances globales de la machine. Nous n’avons pas pu actuellement définir les paramètres optimaux. Nous avons aussi pu grâce au fonctionnement en générateur mettre en avant un problème de définition du pas polaire vis à vis codeur et des paramètres correspondant dans le variateur.
Dans ce projet, beaucoup de temps a été nécessaire à l’appropriation et la formation sur le matériel du contrôle commande. Quelques problèmes mécaniques et électriques sur le banc ont aussi pris plus de temps que prévu.
Globalement, ce projet m’a permis d’apprendre beaucoup et d’assimiler des notions apprises à l’occasiondes cours du Cnam (électromagnétisme, machines, commande vectorielle, etc…).
La poursuite de ces travaux devra porter sur l’optimisation du fonctionnement moteur et sur l’étude de la régénération. Le banc mis en place doit le permettre, ce mémoire doit aussi aider à faciliter à la prise en main d’autre utilisateur même si la formation sur le matériel BR Automation est indispensable selon moi.
La partie moteur et contrôle commande, une fois optimisée, pourra être utilisée comme vérin électrique. Une application est la création de gaz alterné, par exemple notre partenaire FEMTO a besoin d’étudier des flux de gaz
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Table des matières
Résumé/Summary
I. INTRODUCTION GENERALE
II. REMERCIEMENTS
III. ABBREVIATIONS/ACRONYMS
IV. HISTORIQUE ET USAGE DES MOTEURS LINEAIRES
A. Exemple d’application
V. PRINCIPE DES MOTEURS LINEAIRE ELECTRIQUE
A. Physique Globale
B. Type de moteur linéaire
1. Moteur linéaire à courant continu avec aimant
2. Moteur linéaire synchrone (MLS)
3. Moteur asynchrone
VI. LE MOTEUR ASYNCHRONE LINEAIRE
A. Forces en applications :
1. Force linéaire
2. Force de lévitation (répulsion) :
B. Généralité sur les types de machine asynchrone linéaire possible
1. MAL avec induit en forme d’échelle
2. MAL avec induit Massif
3. MAL avec induit et circuit magnétique de fermeture
VII. PRESENTATION DE LA MACHINE
A. Généralité
B. Matériaux utilisés
C. Elément de montage
1. Bobinage
2. Schéma de câblage des phases
D. Caractéristique du moteur
1. Phénomène de dissymétrie
VIII. ANALOGIE ENTRE LES GRANDEURS D’UNE MACHINE TOURNANTE ET D’UNE MACHINE
LINEAIRE
A. Machine tournante
B. Comparatif des grandeurs linéaires/ tournantes
C. Schéma équivalent de la Machine asynchrone linéaire
IX. PHYSIQUE DU DEPLACEMENT DU MOVER
A. Repérage préalable des phases
B. Déplacement du champ magnétique
1. Inversion du sens de déplacement :
X. MATERIEL POUR PILOTER LES DEUX MACHINES
A. B&R Automation
B. Matériels utilisés pour le banc d’essai
C. Synoptique électrique du matériel :
XI. GENERALITE SUR LA CONFIGURATION DES AXES MOTEURS
A. Première configuration
B. Deuxième configuration possible
XII. LOGICIEL DE PROGRAMMATION DE L’AUTOMATE
A. Les « views » dans Automation Studio
B. Les librairies de la logical View :
C. Déclaration et appel des variables dans un programme
D. Principe des blocs de la librairie Motion et de leurs utilisations
E. Mise en place d’une «Cam »
1. Procédure générale pour la mise en place d’une Campour un axe de moteur tournant:
F. Mode dans lequel le variateur peut se trouver
G. Grafcet
1. Grafcet de commande
2. Logigramme de la gestion des erreurs
XIII. COMMANDE INTEGREE PAR LE VARIATEUR, ARCHITECTURE DES BOUCLES DE
REGULATION
A. Définition de la commande vectorielle :
1. Schéma général de commande avec le découplage des axes d et q
Boucle de régulation
2. Exemple de représentation développée de structure interne du variateur
XIV. MISE EN APPLICATION DU PROGRAMME : ESSAIS PREALABLES, PREMIERE CONSTATATION
XV. INFLUENCE DES PARAMETRES, RELEVES ET INTERPRETATIONS
A. Mesure du glissement pour différentes vitesses mécaniques
B. Recherche d’un «optimum » par la variation des paramètres Rr et Lr
1. Variation de Rr
2. Variation de Lr
3. Variation du courant magnétisant
C. Visualisation des courants
1. Courant de consigne d-q
2. Courant réel mesuré
D. Calcul des pertes statorique
XVI. REGENERATION
A. Généralité
B. Mesures
XVII. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
XVIII. BIBLIOGRAPHIE
XIX. ANNEXE
A. Grafcet de commande
B. Programme du moteur linéaire
1. Power Panel (interface)
3. PROGRAMME AXE REEL
4. PROGRAM AXE VIRTUEL
5. PROGRAM ALIM
6. PROGRAM POUR FAIRE VARIER LES PARAMETRES
7. VARIABLE LOCAL DES PROGRAMMES
8. VARIABLE GLOBAL.VAR
9. VARIABLE GLOBAL TYP
C. B CODEUR GC-MK5
D. Mesure des paramètres du stator de la machine
E. Mesure des courants de terre lors de la mise sous tension de l’installation
XX. LISTE DES FIGURES
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