Conception Et Etude D Un Banc D Essai en Charge Pour Les Moteurs de Traction ONCF D OUJDA PDF [PDF]

Zitiervorschau

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

MÉMOIRE DE FIN D’ÉTUDES Présenté en vue de l’obtention du titre : INGÉNIEUR D’ÉTAT Par

Ahmed LACHHAB

&

Anass EL KHADIRI

Département : ÉLECTROMÉCANIQUE Option : Maintenance Industrielle

Sujet : Conception et étude d’un banc d’essai en charge pour les moteurs de traction (ONCF d’OUJDA)

Jury: Président : M. M. ZAOUI (ENIM) Directeur : M. A. EL HASNAOUI (ENIM) Membre : M. K. LAKBAKBI EL YAKOUBI (ENIM) Parrain : M. M. KABDANI (ONCF) 2010 - 2011

Je dédie ce travail :  D’abord à mes chers parents qui m’ont toujours soutenu grâce

à leurs précieux conseils et encouragements ;  A ma chère sœur et sa famille qui m’ont beaucoup aidé, et dont

l’affection et l’amour demeurent les symboles d’une excellente fraternité ;  A tous mes amis, et particulièrement; F. IDELHACHMI, M. JAYADI,

A. AMZIL, M. AYASSOR et J. MEKNGAM ;  A toute ma famille paternelle et maternelle en témoignage de

ma reconnaissance. Anass

Je dédie ce travail à :  À mes chers parents ;  À ma famille ;  À tous mes amis.

Ahmed

Nous avons le grand plaisir de pouvoir exprimer nos gratitudes, nos reconnaissances et notre grand respect à notre encadrant M. EL HASNAOUI et à tous nos professeurs à l’ENIM. Nous exprimons notre sincère remerciement à tous les responsables de l’ONCF qui nous ont accordé la chance de passer notre stage dans des bonnes conditions au sein de leur établissement, en particulier :  M. LAHSINI Chef de l’EMIO  M. KABDANI Chef de production  M. MISSAOUI Chef d’atelier matériel moteur  Toutes les équipes de maintenance à l’atelier Matériel Moteur, ainsi que le Service Technique.

Vu le rôle primordial que jouent les essais sur les moteurs de traction pour évaluer leurs performances et détecter leurs anomalies, il nous a été demandé de concevoir un banc d’essai en charge pour ces moteurs. Ceci dans le but d’amélioration de la maintenance des locomotives. Pour mener ce projet nous avons d’abord défini le problème posé après la maintenance des locomotives. Après nous avons identifié les paramètres du moteur de traction par estimation puisqu’ils ne sont pas disponibles. Puis nous avons proposé des solutions pour simuler la charge tractée par les moteurs. Ensuite nous avons étudié et dimensionné la partie électrique de la solution adoptée. Enfin nous avons proposé des solutions théoriques d’un châssis de fixation à l’aide du logiciel Solid Works.

MT MDZ AR10 GA MCC

Moteur de traction Moteur Diesel Alternateur principal de traction Génératrice auxiliaire Machine à courant continu

Figures / Tableaux

Descriptions

L’organigramme de l’ONCF Organigramme de l’EMIO/Atelier matériel Moteur Types des locomotives maintenues par l’EMIO Schéma des blocs fonctionnels de la locomotive Emplacement des essieux Moteur de traction Essieux La carcasse Le rotor Modélisation de la MCC Diagramme pieuvre Schéma fonctionnel de la 1ére solution proposée Schéma électrique de la 1ère solution proposée Schéma fonctionnel de la 2ème solution proposée Schéma fonctionnel de la 3ème solution proposée Arbre de puissance de la MCC Réducteur MT/roue Tableau 01 Récapitulation des caractéristiques du MT Figure 18 Hacheur parallèle Figure 19 Schéma électrique du hacheur parallèle Figure 20 Pont de doides Figure 21 Symboled du redresseur Figure 22 Groupement des éléments de la solution adoptée Figure 23 Schéma électrique du hacheur parallèle Figure 24 Tenstion à l’entrée du hacheur parallèle Figure 25 Tension à la sortie du hacheur parallèle Figure 26 Courant lissé à l’inductance Figure 27 Tension et courant aux bornes du condensateur Figure 28 Schéma du redresseur PD3 Figure 29 Modèle pour la composante continue de la tension Figure 30 Modèle pour la composante alternative de la tension figure 31 Schéma équivalent du transformateur vu au secondaire figure 32 Méthode du dimensionnement du transformateur Tableau 02 Dimensionnement du transformateur Tableau 03 Relevé des valeurs par simulation sur PSIM figure 33 Simulation du couple et de la vitesse avec PSIM Figure 01 Figure 02 Figure 03 Figure 04 Figure 05 Figure 06 Figure 07 Figure 08 Figure 09 Figure 10 Figure 11 Figure 12 Figure 13 Figure 14 Figure 15 Figure 16 Figure 17

Pages 3 4 5 7 8 8 8 9 9 10 12 14 15 15 16 18 19 21 21 21 22 22 22 24 24 24 26 26 27 27 27 29 30 30 31 32

figure 34 figure 35 figure 36 figure 37 figure 38 figure 39 figure 40 figure 41 figure 42 figure 43 figure 44 figure 45 figure 46 figure 47

Schéma de puissance et de commande Symbole sectionneur porte fusible Tableau 04 Tension et courant assignés pour les éléments de protection Symbole technique du contacteur Schéma du neutre IT Chapeaux Nez de suspension Emplacement du système se suspension Pièce à plan incliné Table support pour les pièces à plan incliné Bloc à pattes Distance entre les éléments Assemblage des éléments du châssis Nez avant du MT Assemblage ; deux MTs + châssis Tableau 05 Estimation des coûts des éléments électriques

33 34 34 35 35 38 38 38 39 40 41 41 42 43 43 45

Dédicace Remerciements Résumé Table des abréviations Table des matières Introduction générale Chapitre premier : Organisme d’accueil 1-Présentation de l’ONCF 2-L’organigramme de l’ONCF 3-Présentation de l’EMIO 4-L’organigramme de l’EMIO 5-L’atelier Matériel Moteur 6-Les locomotives maintenues par l’EMIO Chapitre II : Description des locomotives / Problème posé 1-Fonctionnement des locomotives 2-Les moteurs de traction 3-La modélisation de la MCC 4-Problème Posé 5-Analyse fonctionnel Chapitre III : Solutions proposées Chapitre IV : Etude de la solution adoptée 1-Description de la solution 2-Les éléments constituants de la solution adoptée Chapitre V : Choix et dimensionnement des composantes 1-Cahier des charges / hypothèses 2-Le hacheur parallèle 3-Le redresseur 4-Le transformateur 5-Le courant d’excitation de la génératrice 6-Eléments de protection et de commande Chapitre VI : Châssis et ses accessoires: Suggestions théoriques 1-Le châssis 2-Choix de l’accouplement / contraintes 3-Le refroidissement 4-Les capteurs 5-La détection des défauts 6-Estimation du coût du éléments électriques utilisés Conclusion générale Annexe

01 03 03 04 04 05 05 07 09 09 11 12 13 18 18 24 24 27 29 31 32 38 42 43 44 44 45 46 47

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Les ateliers de l’Etablissement de Maintenance Industrielle d’Oujda (EMIO) effectuent tous les travaux de maintenance préventive et corrective des trains. Ils ont pour mission de veiller à la bonne tenue du parc locomotives, fourgons et voitures, qui nécessitent un suivi minutieux afin d’assurer leur fonctionnement dans les bonnes conditions et par la suite leur permettre d’atteindre les performances requises. Pour réaliser ces fonctions, l’EMIO se lance dans un projet ambitieux afin d’améliorer la maintenance des locomotives. C’est dans cette perspective que s’inscrit notre projet de fin d’études, qui consiste en l’étude et la conception d’un banc d’essai en charge pour les moteurs de traction, aussi qu’à la suggestion des solutions théoriques d’un châssis permettant la fixation de ces moteurs. Dans le 1er chapitre nous allons présenter d’abord l’Office National des Chemins de Fer, ensuite présenter l’Etablissement de Maintenance Industrielle d’Oujda, et par la suite l’atelier Matériel Moteur où nous avons effectué notre stage. Le 2éme chapitre sera consacré à une vue générale sur le circuit électrique des locomotives, à la composition des moteurs de traction, au problème rencontré après leur maintenance. Et montrer enfin à la nécessité d’un banc d’essai. Dans le 3ème chapitre, nous allons proposer trois solutions au problème posé et en choisir la bonne. Les chapitres 4 et 5 seront consacrés à l’étude électrique de la solution adoptée. Le dernier chapitre sera des propositions théoriques d’un châssis mécanique et de ses accessoires.

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1-Présentation de l’ONCF L’Office National des Chemins de Fer (ONCF) a été créé en 1963 par le Dahir n° 1.63.225 du 05 août 1963, c’est lorsque le gouvernement marocain a décidé le rachat des concessions de trois compagnies privées qui s’occupaient de la construction des voies. Cet office est un établissement public à caractère industriel et commercial doté de la personnalité civile et de l’autonomie financière. L’ONCF qui emploie actuellement environ 10500 agents, gère et exploite un réseau de 1907 km de lignes, dont 1537 km à voie unique (80%) et 370 km à double voie (20%). Ce réseau comporte également 528 km de voie de service et 201 km de ligne d’embranchements particuliers reliant diverses entreprises au réseau ferré national. A noter que 53% de la longueur totale du réseau, soit 1003 km, est électrifiée à 3000 volts continu, alors que 904 km sont exploités en traction Diesel. L’ONCF opère sur trois marchés stratégiques indépendants à savoir :  Le transport des voyageurs ;  Le transport du frêt (marchandises diverses) ;  Le transport des phosphates. 2-L’organigramme de l’ONCF DIRECTION GENERALE

Finances et contrôle de gestion

Chargés de mission

Stratégie, Sourcing et Communication

SECURITE ET CONTROLE

Inspection Sécurité

RH et Affaires Juridiques

MAINTENANCE MATERIEL

VOYAGEURS

Systèmes d'information

FRET ET LOGISTIQUE

IINFRASTRUCTURE ET CIRCULATION

DEVELOPPEMENT

Figure 01 : L’organigramme de l’ONCF

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3-Présentation de l’EMIO L’Etablissement de Maintenance Industrielle d’Oujda (EMIO) est un établissement ferroviaire de l’ONCF, régional de la Direction Centrale Activités Clients (DCA), implanté au nord ouest d’Oujda, préfecture Oujda Angad, commune de Sidi Ziane.

4-L’organigramme de l’EMIO

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

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5-L’atelier Matériel Moteur Nous avons effectué notre stage à l’atelier Matériel Moteur. Cet atelier s’occupe de la maintenance préventive et corrective des locomotives de type Diesel électrique (DH/DK/DI). Il se compose de cinq unités principales (voir Organigramme de l’EMIO) et complémentaires entre elles afin d’assurer le bon fonctionnement des locomotives, tout en respectant les normes de la sécurité et de la qualité. 6-Les locomotives maintenues par l’EMIO Le tableau ci-dessous présente les trois types de locomotives dont l’atelier fait la maintenance. Vitesse Constructeur : General Motors USA

Série

Puissance

maximale

Utilisation

125 km/h DH

3040 CV

(Voyageurs)

Ligne

et 105 km/h (Frêt)

Ligne DK

2000 CV

105 km/h

+ Manœuvre

DI

1000 CV

85 km/h

Manœuvre

Figure 03 : Types des locomotives maintenues par l’EMIO 5

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1-Fonctionnement des locomotives Les trois types des locomotives Diesel électrique se diffèrent du point de vue puissances et performances, mais leurs principes de fonctionnement sont identiques. Le schéma ci-dessous donne une idée globale sur le principe de fonctionnement des locomotives DH.

Alimentation électrique Excitation électrique

Démarreurs

Batteries

Entraînement mécanique

Moteur Diesel

Alternateur AR10

Alternateur D14

Génératrice auxiliaire GA (auto-excitation)

Redresseur Redresseur

Pompe à gasoil Ventilateurs / radiateurs

Moteurs de traction (excitation série)

Pompe turbo Moteur filtre à inertie Éclairage

Essieux

Figure 04 : Schéma des blocs fonctionnels de la locomotive

Le moteur Diesel est la source de puissance de la locomotive, il entraîne l’alternateur principal (AR10) qui alimente les moteurs de traction. Ces derniers engrènent avec les essieux afin d’avoir la traction du train.

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2-Les moteurs de traction Les locomotives de type DH et DK disposent de six essieux. Or les types DI disposent de quatre essieux. Chaque essieu est entrainé par un MT.

Figure 05 : Emplacement des essieux

Figure 06 : Moteur de traction

Figure 07 : Essieu

Ces moteurs sont des machines à courant continu, à excitation série, qui peuvent fonctionner en tant que :  Moteurs, à excitation série, lorsque la locomotive tracte les wagons,  Génératrices du courant continu en phase de freinage. Un MT dispose principalement de :  Une carcasse : Support en acier moulé, contenant à l’intérieur les noyaux magnétiques et les portes balais. Munie, à l’extérieur, d’un nez de fixation sur le bogie de la locomotive et de deux zones creuses où l’essieu est logé.  Quatre bobines inductrices principales : Pour créer le champ magnétique d’induction.  Quatre bobines secondaires : bobines de compensation pour neutraliser la réaction magnétique d’induit.  Quatre porte-balais : portent les balais en charbon et assurent le passage du courant vers le collecteur de l’induit.

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 Un induit bobiné : Arbre tournant sous l’effet du champ magnétique lorsqu’il est traversé par un courant continu. Il porte à son bout le collecteur à lames isolées entre eux. Avec deux roulements qui facilitent sa rotation et un pignon d’engrènement avec l’essieu.  Quatre fils d’alimentation.  Deux roulements coniques pour le guidage en rotation du rotor.  Un pignon moteur pour la transmission de la rotation.

Fig 08 : La carcasse

Fig 09 : Le rotor

Le MT est en excitation série, ceci permet d’avoir un couple de démarrage très important, ce qui est fortement demandé pour la traction ferroviaire. Mais l’inconvénient et le risque majeur d’un moteur à excitation série est l’emballement s’il est alimenté par sa tension nominale alors qu’il n’est pas chargé!! C’est le cas d’un essai à vide. 3-La modélisation de la MCC Le MT est une machine à courant continu, qui peut être modélisée par le schéma et les équations ci- dessous :

Figure 10 : Modélisation de la MCC

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Tension d'induit

dI1 dt

U1  E  R1.I1  L 

Tension inducteur

U 2  R2  I 2  L 

Force électromagnétique

E  k  ( I 2 )  

Couple électromagnétique

C  k  ( I 2 )  I1

Puissance utile

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dI 2 dt

Pu  C  

Principe fondamental de la dynamique C  Cr  J 

d dt

Pour un moteur à excitation série :

I1  I 2  I U  E  ( R1  R2 )  I  ( L1  L2 ) 

dI dt

E  K .I . C  K .I ²

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4-Position du problème La maintenance des MTs est parmi les opérations effectuées par l’atelier Matériel Moteur à l’unité électrique. Ceci passe forcément par plusieurs étapes :      

L’entrée de la locomotive à l’atelier, Le levage de la locomotive à l’unité mécanique, Le décablage des MTs La dépose des MTs et leur déplacement vers l’unité électrique, Effectuer les opérations de la maintenance, Remonter les MTs à la locomotive.

Ces étapes nécessitent bien sûr un temps remarquable (au moins 3 jours), la mobilisation des équipes de différentes spécialités, la consommation de l’énergie vu le poids lourd des composantes de la locomotive, et sans oublier les consignes de sécurité pour chaque opération. Actuellement, seul l’essai à vide se fait pour les MTs (avec 10% de l’alimentation nominale) avec un contrôle de la température et de l’isolement des bobines. Les défauts souvent rencontrés sont :  des défauts des roulements qui sont détectés par l’augmentation excessive de la température pendant l’essai à vide,  le défaut d’isolement des bobines qui est détecté à l’aide d’un mégohmmètre Il arrive parfois que le test d’un MT - après l’essai à vide - donne des résultats conformes ; mais après son montage dans la locomotive et la mise en route, une ou plusieurs anomalies y apparaissent. Par conséquent il ne sera plus alimenté, la puissance et la vitesse de la locomotive diminuent alors; ce qui engendre des perturbations et des retards de lignes. Ce qui est indésirable. L’essai à vide est alors insuffisant pour évaluer les performances d’un MT ou détecter toutes ses anomalies qui peuvent exister après sa maintenance. Car le moteur n’est pas chargé et ne fournit pas sa puissance totale. Il est alors nécessaire de faire fonctionner le MT en charge, à des conditions proches de ceux dans la phase de traction. D’où notre étude qui sera alors de concevoir une charge fixe que va entrainer le MT pour pouvoir le faire fonctionner à une puissance proche du nominale. Et pouvoir détecter les défauts courants ; notamment les défauts d’isolement et des roulements.

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5-Analyse fonctionnel Le diagramme pieuvre nous permettra de déterminer les liaisons du banc d’essai avec son milieu extérieur.

Unité de maintenance électrique

Moteur de traction F1

Banc d’essai en charge F2

Sécurité

F4

Economique F3

Environnement

Figure 11 : Diagramme pieuvre

F1 : Le banc permet à l’unité de maintenance d’essayer le moteur en charge. F2 : Le banc assure la sécurité des personnes et du matériel. F3 : Le banc respecte l’environnement. F4 : La réalisation et l’exploitation sont économiques.

Le banc d’essai en charge est donc un moyen permettant d’améliorer la maintenance en évaluant les performances d’un MT et en détectant ses anomalies s’ils existent, pendant le test et non pas après son pénible montage sur la locomotive. Par conséquent, diminuer sa défaillance au chemin et réduire le temps d’indisponibilité de la locomotive.

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L’essai en charge nécessite la présence d’un couple résistant qui s’oppose au mouvement. Cela peut être :  Une masse mécanique équivalente à la masse du train, ceci n’est pas pratique vu la grande masse tractée (plus que 1000 tonnes).  Un couple de frottement appliqué à l’arbre moteur par un frein à poudre. Ceci n’est utilisé que pour les petites puissances.  Un couple électromagnétique créé par une génératrice. Cette solution sera adoptée.

L’inducteur de la génératrice proposée sera alimenté par un courant continu afin de donner un couple résistant. D’autre part, l’induit fournira un courant continu qui doit être dissipé ou bien récupéré. On propose trois solutions : 1. Débiter dans une résistance via un hacheur parallèle, 2. Renvoyer l’énergie vers le réseau via un onduleur autonome, 3. Renvoyer l’énergie vers l’entrée du moteur.

1-Débiter dans une résistance

Excitation séparée

Réseau

Redresseur

MT à tester (Moteur)

Liaison mécanique

Résistance

MT référence (Génératrice)

Hacheur parallèle

Figure 12 : Schéma fonctionnel de la 1ére solution proposée

Le choix de la résistance se fait en prenant en compte la valeur maximale de la tension que nous imposons à la résistance. De plus notre résistance est variable de façon à faire varier le courant. Pour une tension imposée à ses bornes, si R diminue, le courant de sortie croit.

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Figure 13 : Schéma électrique de la 1ère solution proposée

On fait un transfert de puissance

U r2  U m  I m  (1   )  I m  U r r Ur  (1   )  I m r Ur  r  (1   )  R eq Im Donc la résistance est variable et dépend du rapport cyclique (𝛼). Cette solution est simple à réaliser, mais l’inconvénient est que l’énergie est dissipée et non exploitée. 2- Le renvoi l’énergie vers le réseau Le renvoi l’énergie vers le réseau via un onduleur autonome tout thyristor. Cette solution à l’avantage qu’on récupère l’énergie, mais le problème est que ce courant restitué n’est pas parfaitement sinusoïdal.

Excitation séparée

Réseau

Redresseur

MT à tester (Moteur)

Liaison mécanique

MT référence (Génératrice)

Onduleur Figure 14 : Schéma fonctionnel de la 2ème solution proposée

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3-Le renvoi de l’énergie vers l’entrée du moteur Le renvoi de l’énergie vers l’entrée du moteur via un hacheur. Cette solution permet la récupération de l’énergie vers le moteur sans avoir problèmes d’adaptation du courant généré avec celui du réseau. Nous adopterons donc cette solution.

Récupération d’énergie

Transformateur

Redresseur

MT (Moteur)

MT Liaison mécanique

(Génératrice)

Excitation séparée Figure 15 : Schéma fonctionnel de la 3ème solution proposée

Nous souhaitons à partir de cette solution faire tourner deux MTs (moteur + génératrice) à une seule vitesse et un seul couple. Cela est suffisant pour pouvoir détecter les anomalies souvent rencontrées (défaut d’isolement des bobines et défaut des roulements).

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1-Description de la solution Pour que la solution soit économique, nous proposons utiliser deux MTs. Cela consiste à utiliser l’un comme moteur et l’autre comme génératrice pour créer le couple résistant. On pourra alors tester deux MTs à la fois. 2-Les éléments constituants de la solution adoptée Le MT (moteur et génératrice) Le MT en régime nominal est alimenté par une tension de 1240 V avec un appel de courant de 1050 A. Nous allons essayer de détermination les caractéristiques du MT au régime nominale i. Détermination des résistances Puisque nous ne disposons pas des valeurs exactes des résistances, nous allons les estimer à partir de la puissance. Nous supposons que le rendement global du MT est de 96%. Nous supposons aussi que les pertes dans les résistances du MT sont estimées par 1% de la puissance absorbée. Puissance absorbée

E*I

Puissance utile = rendement*Pa=1 249 920 W

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

Pertes mécaniques + pertes fer Pertes joules (R1+R2)I² Figure 16 : Arbre de puissance de la MCC

( R1  R2 ).I ²  0.01 Pa R1  R2 

0.01 Pa 0.011302000  I² 1050²

R1  R2  11.8 m

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ii. Calcul de la vitesse du moteur à 100 km/h Nous souhaitons calculer la vitesse de rotation du MT lorsque le train se déplace à 100 km/h. On suppose que les roues sont mi-usées. Roue (mi-usée) (∅ 965 mm) Pignon moteur (17 dents)

Roue dentée (60 dents)

Rail

Figure 17 : Réducteur MT/roue

Posons Vt : La vitesse linéaire de la roue, la vitesse du train (m/s) R : Le rayon de la roue (m) 𝜔 : La vitesse de rotation (rad/s) 𝜌 : Le rapport de réduction (

17 60

Vt=R×ω roue = R× ρ ×ω moteur

La vitesse linéaire est exprimée par

ω moteur = Vt/(R × ρ)

Alors

A.N.

)

ω(moteur) =

100 3.6

1

∗ 0.965

= 203.19 ∗

17

* 60 2

60 2𝜋

= 203.19 rad/s

= 1941 tr/min

Alors, lorsque le train se déplace à une vitesse de 100 km/h, le moteur de traction tourne à une vitesse de 1941 tr/min.

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iii. Calcul du couple à 100 km/h C

Pu 60 Pu 60 1249920    2    N 2   1940

C = 6220 N.m

iv. Calcul des inductances C  K .I ²  ( L1  L2 )  I ² L1  L2 

C 6220  I ² 1050²

L1+L2 = 5.58 mH

v. Moment d’inertie du rotor

J

m  r ² 800*0.15  2 2

J = 9 kg.m²

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3-Tableau récapitulatif des caractéristiques du MT

Tension nominale

1240 V

Courant nominal

1050 A

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

0.96

Puissance absorbée Puissance utile

1302 kW 1262.94 kW

Couple utile

6155 N.m

La somme des résistances

11.8 mΩ

La somme des inductances

5.58 mH

Moment d’inertie du rotor

9 kg.m²

Tableau 01 : Récapitulation des caractéristiques du MT

Hacheur parallèle Le hacheur parallèle permet d’alimenter une source de tension continue (l’alimentation du moteur) à partir d’une source de courant continu (la génératrice). Ce qui permet la récupération de l’énergie.

Génératrice

Alimentation

(Source de courant continu)

(Source de tension continue) Hacheur parallèle Figure 18 : Hacheur parallèle

Le Hacheur parallèle est composé de :  Une diode  Un interrupteur commandé  Un condensateur pour le lissage de la tension  Une inductance pour le lissage du courant Figure 19 : Schéma électrique du hacheur parallèle

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Pont de diode Selon le sens de rotation du rotor de la génératrice, le courant à sa sotie peut être positif ou négatif. Or nous souhaitons avoir dans les deux cas un courant positif. Pour cela un pont de 4 diodes pourra résoudre le problème.

Figure 20 : Pont de doides

Redresseur L’alimentation du MT doit être continue, or nous disposons d’une alimentation aternative au réseau. Le redresseur nous permettra d’avoir l’alimentation continue à partir de l’alternative.

= ~

figure 21 : Symbole du redresseur

Transformateur L’alimentation alternative disponible est de 380 V (triphasée composée). Or le MT a besoin d’une alimentation de 1240 V continu. Nous aurons besoin donc d’un transformateur élévateur. Le schéma ci-dessous montre le groupement des éléments de la solution.

Figure 22 : Groupement des éléments de la solution adoptée

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1-Cahier des charges / hypothèses Le MT sera alimenté par une tension de 1240 V, le courant appelé sera alors de 1050 A. Nous souhaitons ainsi avoir un taux d’ondulation de 1% On définit le taux d’ondulation ∆X d’une grandeur X par X 

X max  X min X moy

L’alimentation disponible à l’atelier est de 380 V/220 V, 50Hz On suppose que les chutes de tension relatives (∆UT) dans le transformateur sont de 3%, et les pertes cuivre relatives (Pc) sont de 2%. 2-Le hacheur parallèle Pour le contact commandé du hacheur, notre choix s’est porté sur l’IGBT (Transistor bipolaire à porte isolée) car celui-ci permet de travailler à fort courant avec une commande simple à mettre en œuvre. Le hacheur donne, à partir d’une tension continue d’entrée (U), une tension continue variable (Ud) à sa sortie, en fonction du rapport cyclique α

Ud 

U 1

avec

𝛼=

𝑇 𝑜𝑛 𝑇

Figure 23 : Schéma électrique du hacheur parallèle

Figure 24 : Tenstion à l’entrée du hacheur parallèle

Figure 25 : Tension à la sortie du hacheur parallèle

Le dimensionnement du hacheur revient à dimensionner l’IGBT et la diode. Le courant et la tension maximaux dans la dide et l’IGBT sont ceux de la charge. Pour notre cas, la tension aux bornes de la charge qui est le moteur est de 1240 V et le courant est de 1050 A

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i-Tension et courant maximaux pour l’IGBT et la diode Nous prenons deux coefficients de sécurité pour protéger le convertisseur IGBT et la diode ;  x2 pour la tension, ce qui donne 1240 * 2 = 2480 V  x1.5 pour le courant, ça donne 1.5 * 1050 = 1575 A ii-Dimensionnement de l’inductance l Nous souhaitons avoir un courant à la sortie du hacheur dont l’ondulation est de 1%. Phase 1 : 0  t  T K est fermé, donc uK = 0

U l

dil (t ) dt

Équation différentielle du premier ordre à coefficients constants. Condition initiale : en t = 0; il (t) = Imin

U t  Imin l Phase 2 : T  t  T K est ouvert et il ≠ 0, donc uK = uD di (t ) U  l l  U D0 dt Donc : il (t ) 

Équation différentielle du premier ordre à coefficients constants. Condition initiale : en t =  T; i l (t) = I max Donc : il (t ) 

U  U D0 .  t  T   Imax l

Ondulation du courant dans la source ∆Il :

U .t  I min l U Ud 0 Pour  T  t  T il (t )  .  t  T   I max l U  U d 0 1    Donc I l   lf lf Pour

0  t  T

il (t ) 

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Figure 26 : Courant lissé à l’inductance

Ondulation maximale pour :

U d I  0 alors   0.5 donc  I max  4lc f d

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

iii-Dimensionnement du condensateur C Nous souhaitons avoir une tension à la sortie du hacheur dont l’ondulation est de 1%. On tient compte désormais de l’ondulation de la tension U d(t). Cette ondulation est due à la composante alternative du courant dans la charge.

Figure 27 : Tension et courant aux bornes du condensateur

Id 0 .t C I Donc, en t   T, on a : vS (t   T )  Vmax  d 0 .T C I  (1   )  I l 0 Soit, en fait : VS  Vmax  Vmin  d 0 = Cf Cf Pour

0  t  T

on a : vS (t )  Vmax 

L’ondulation est maximale pour :

Il d VS  0 alors   0.5 donc Vmax  4 fC d

Pour notre cas, on choisit Vm ax  1% et f=10 kHz ce qui donne C = 22 mF 26

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3-Le Redresseur Le récepteur (MT) a besoin d’une alimentation constante. Notre choix se porte alors le redresseur triphasé à diodes PD3, composé de six diodes, et qui a comme avantage un bon facteur de puissance. Dans le schéma ci-dessous le montage du redresseur PD3

Id V1  Vm sin(t )

Ud

2 ) 3 2 V3  Vm sin(t  ) 3 V2  Vm sin(t 

Figure 28 : Schéma du redresseur PD3

Ce montage peut être modélisé par superposition des deux montages suivants : Figure 29 : Modèle pour la composante continue de la tension

Udo  1.64  Vm

Id  t  

Figure 30 : Modèle pour la composante alternative de la tension

Ud   0.12 Vm

Udo  vd U   sin  2  t  R Z

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Les paramètres d’un redresseur PD3 :

Vm



Tension moyenne redressé Udo  3 3



Tension alternative redressée Ud   Vm



La tension inverse maximale pour une diode :



Courant moyen d’une diode : Id moy 



Courant efficace dans une diode : Id eff 



Courant efficace secondaire

Iseff  Id



Fréquence de redressement

f red  6  f



Facteur de puissance au primaire et au secondaire



Tension de seuil d’une diode : Le choix d’une diode revient à déterminer 

Le courant maximal :



Le courant moyen :



Le courant efficace :



 1.64  Vm

3 3 1    0.12 Vm 2  2 

Vin  3  Vm

Id 3 Id 3

2 3

Fp  Fs  0.955

Vd

I FSM  Id max  1050A

IFAV  Idmoy  350A I D  Id eff  606A

V

 Vin  1310V

La tension inverse maximale : RRM D’après le catalogue SEMIKRON (voir annexe) la diode «SEMIKRON SKR 240/14» est convenable. 

Cette diode a pour caractéristiques : 

Tension de seuil Vd=1.4 V  Résistance dynamique Rd=0.6 mΩ

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i- Le filtre du redresseur Nous souhaitons avoir une ondulation de courant ∆Id=1%*Id=10 A Or

Id 

Donc LF 

Ud  LF 

avec

U 6    Id

  6    6  2    f LF  4.8 mH

4-Le transformateur : Le transformateur élévateur sera :  Triphasé car il s’agit de la grande puissance (supérieur à 20 kVA)  Couplage triangle-étoile puisque le courant au primaire sera élevé. La modélisation du transformateur

Figure 31 : Schéma équivalent du transformateur vu au secondaire

La résistance équivalente d'une phase ramenée au secondaire 2

n  r  rs  (rp  rL )  2   rd  n1 

L’inductance équivalente d’une phase ramenée au secondaire n  L  Ls  ( Lp  LL )  1   n2 

2

Le dimensionnement du transformateur revient à calculer sa puissance apparente en passant par ses impédances. Pour cela, la méthode ci-dessous est suivie.

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Calcul Vm , Iseff et Fs Calcul des impédances L  Calcul des chutes de tension

Vm UT Vm Pc , r Fs Ise ff 141 Ise ff 141

uL , ur, Vd

Rapport de transformation m=Ns/Np

m

Vm 2Vp

Courant efficaces Ip et Fp Calcul des puissances apparentes du primaire et secondaire Sap et Sas S=Sap si Sap> Sas

ou

S=Sas si Sas> Sap

Choix du transfo Vp, Vs S

Sas 

 Pn  pertes 

Fs  Pn  pertes  , Sap  Fp

Figure 32 : Méthode du dimensionnement du transformateur perte    uL   ur   Diode  Id

Ce tableau Résume les résultats des calculs concernant le transformateur Tension nominale (V) Courant nominal de la charge (A) Puissance nominale de la charge (kW) Tension maximale au secondaire (V) Courant efficace secondaire (A) Facteur de puissance de PD3 Chute de tension

Udo Id Pn=Udo*Id Vm=Udo/1,65 Iseff=Id*√(2/3) Fp=Fs=P/S ∆UT Lω=(Vm*∆UT)/(141*Ieff) Les impédances (mΩ) r=(Vm*Pc*Fs)/(141*Ieff) ∆UL=3*Lω*Id/pi Les chutes de tension au transformateur (V) ∆Ur=2*(r*Id) Chute de tension dans les diodes (V) ∆Ud=2*(Vd+Rd*Id) Pertes(W) (∆UL+∆Ur+Vd)*Id Rapport de transformation m=Vm/(Up*√2) On prend Courant efficace primaire(A) Jpeff=m*Ieff Courant efficace primaire ligne (A) Jpeff*√3 Puissance apparente secondaire(VA) Sas=(Pn+pertes)/Fs Choix

1 240 1 050 1 302 756 857 95,5% 3% 0,27 0,17 0,27 0,36 4.06 4 922 1.41 m=1.5 909 1 575 1 368 504 1 600 kVA

Tableau 02 : Dimensionnement du transformateur

Le transformateur sera d’une puissance apparente de 1600 kVA et un rapport de transformation de 1.5

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5-Le courant d’excitation de la génératrice Nous souhaitons que la génératrice génère un couple résistant de 6220 N.m. Ce couple dépend du courant à la sortie de la génératrice et du courant d’excitation. Pour un courant d’excitation constant qui est le courant nominal (1050 A), le couple résistant dépend donc que du courant à la sortie de la génératrice selon les relations suivantes :

dIg  0 0  t  ton dt dIg Eg  RIg  L  Um ton  t  T dt donc 1  Um  Eg Ig moy  R Eg  RIg  L

o o o o

R : résistance d’induit de la génératrice Ig : courant à la sortie de la génératrice Eg : tension à la sortie de la génératrice  : rapport cyclique du hacheur parallèle

Pour une tension moteur (Um) constance, on régle le courant (Ig), donc le couple résistant (Cr) par action sur () du hacheur paralèlle. À l’aide de la simulation sur le logiciel PSIM, nous avons donné le tableau suivant (vitesse, couple,  =t on/T et le rapport cyclique du hacheur parallèle) . Valeurs souhaitées --> α 0,30 0,20 0,10 0,05 0,07 0,08 0,09

Excitation (A) 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1050

1940

6220

Vitesse (tr/min) Couple (N.m) 1230 13800 1636 9540 1820 7605 1945 6800 1890 7137 1870 7288 1850 7440

Tableau 03 : Relevé des valeurs par simulation sur PSIM

Pour une vitesse de 1940 tr/min, nous avons trouvé un rapport cyclique du hacheur de 0.05. 31

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

6-Eléments de protection et de commande Il est nécessaire de protéger le circuit électrique du banc ainsi que les personnes contre les dangers électriques, qui peuvent être  un court circuit provenant du moteur à cause d’un mauvais isolement entre ses bobines ou bien sur ses bornes,  un défaut de masse,  une surcharge (surintensité). Nous proposons le schéma de puissance e0t de commande ci dessous :

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Figure 34 : Schéma de puissance et de commande

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A-Le sectionneur porte fusible Le sectionneur est un appareil électromécanique permettant de séparer, de façon mécanique, un circuit électrique et son alimentation, tout en assurant physiquement une distance de sectionnement satisfaisante électriquement. Ceci est nécessaire pour assurer la sécurité des personnes travaillant sur la partie isolée du réseau électrique. Il n’est jamais manipulé en charge. Les critères de choix du sectionneur :  Nombre de pôles : nombre de contacts de puissance. - tripolaire : 3 contacts (triphasé),  Tension assignée d’emploi : tension maximale applicable entre 2 pôles de l’appareil.  Calibre : intensité maximale que peut supporter l’appareil pendant un temps illimité.  Fusible gG (à usage général) ou aM (accompagnement moteur) en fonction de la charge

Figure 35 : Symbole sectionneur porte fusible

Pour notre cas, nous disposons de deux sectionneurs portes fusibles gG en amont et en aval du transformateur pour le protéger contre les surcharges et les courts- circuits. Fusible Porte fusible 1 Porte fusible 2 Tension assignée 220 V 756 V Courant assigné 2624 A 857 A Type gG gG J302757A 10URD72D11A0900 Référence possible FERRAZ SHAWMUT FERRAZ SHAWMUT

aM 1240 V 1050 A aM

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

B-Le fusible Le fusible est un organe de sécurité, utilisé en électricité et électronique, son rôle est d'interrompre le courant électrique dans le circuit électrique qu'il protège en cas de défaut. Son nom vient du fait qu'il fonctionne par fusion d'un filament. S’il y a surintensité il y aura alors échauffement et rupture de ce filament avant l’échauffement excessif du circuit. C-Le contacteur

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Un contacteur est un appareil électrique analogue à un relais électromécanique, mais dont le contact est prévu pour supporter un courant beaucoup plus important. Ainsi, ils sont utilisés afin d'alimenter principalement des moteurs industriels.

Figure36 : Symbole technique du contacteur

Pour notre application, ce contacteur doit supporter un courant de 2625 A et une tension de 220 V. D-Le contrôleur permanant de sécurité (CPI) Un contrôleur permanent d'isolement (CPI) est un appareil électrique souvent électronique permettant de détecter un défaut sur une installation de type IT. Ce dispositif est utilisé dans l'industrie et dans les hôpitaux car il ne coupe l'alimentation en électricité de l'installation, qu'en cas de deuxième défaut se produit sur cette installation, ce qui permet à la maintenance de réparer le premier défaut, sans avoir de perte de productivité. Il injecte dans le circuit un signal de quelques Kilos Hertz et vérifie que la différence est nul, si elle n'est pas nul cela signifie qu'il y a un défaut d'isolement et que le signal passe par la Terre. Le régime de neutre IT au neutre impédant de la source. C'est-à-dire relié à la terre à travers une impédance supérieure à 1000 Ω. Les masses sont reliées à la terre (Voir schéma ci-dessous). Il est à noter qu'un CPI est relié en parallèle sur cette résistance afin de contrôler à tout instant l'isolement du circuit.

Figure 37 : Schéma du neutre IT

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Lors d'un premier défaut il ne se passe rien. Le courant passant dans la carcasse métallique fini dans l'impédance Zn du neutre se qui implique un courant très faible qui ne constitue pas un danger pour les personnes. Le CPI, quant à lui, détecte cette fuite et le signale grâce à un voyant et/ou une alarme. Une personne expérimentée doit chercher l’origine de ce premier défaut. E-Le circuit de commande Il contient :      

Un bouton poussoir pour (Marche) pour la mise en marche de l’installation. Un bouton poussoir (Arrêt) pour l’arrêt de l’installation, Un bouton d’arrêt d’urgence, Un voyant qui montre que le circuit de commande est sous tension, Un voyant qui montre que le circuit le circuit de puissance est sous tension, Un sectionneur porte fusible pour protéger le circuit de commande.

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1-Conception du châssis : La rotation du MT à la vitesse souhaitée (1940 tr/min) entrainera des vibrations qu’il faut amortir. Pour cela, il nous a été demandé de suggérer des solutions théoriques pour un châssis permettant de supporter le MT et amortir ses vibrations. Pour ce faire, nous suggérons que la fixation du MT sur le châssis soit de la même manière que dans la locomotive. Dans la locomotive, le MT est semi suspendu avec le bogie et l’essieu à l’aide de :  Deux chapeaux : ce sont deux éléments complémentaires de la carcasse.  Deux nez de suspension : solidaires à la carcasse du MT. Ils permettent de contenir le bloc de suspension.  Le bloc de suspension : contient un élément élastique en caoutchouc. Il permet d’amortir les vibrations verticales du MT.  Les pattes du châssis de bogie : permettent de contenir le bloc de suspension

Figure 38 : Chapeaux

Figure39 : Nez de suspension

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

Figure 40 : Emplacement du système se suspension 38

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Pour la conception du châssis, nous nous sommes basés sur les dimensions de la carcasse et des chapeaux du MT, ainsi que les dimensions des pattes du bogie (Voir annexe). Nous avons utilisé le logiciel SolidWorks 2009 ; Il s’agit d’un outil de conception assisté par ordinateur (CAO) en 2D et en 3D. Les dimensions proposées dans les figures sont imposées par ceux du MT et du système de suspension. Il est nécessaire de faire une étude de résistance des matériaux afin de dimensionner le reste des côtes. Le banc proposé contiendra :  Quatre pièces à plan inclinés, avec des trous d’assemblage (Diamètre : 38 mm et profondeur : 32 mm. D’après la figure B à l’annexe). Ces pièces substituent les deux chapeaux.

Figure 41 : Pièce à plan incliné 39

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 Deux tables supports fixées au sol, avec une liaison glissière avec le sol pour la phase de réglage, contenant aussi des rainures, qui servent à régler la position et la fixation des pièces à plans inclinés.

Figure 42 : Table support pour les pièces à plan incliné

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 Une pièce à pattes, solidaire au sol permettant de contenir le bloc de suspension et le caoutchouc, similaire à celle du châssis.

Figure 43 : Bloc à pattes

 Un accouplement pour transmettre le mouvement de rotation du moteur à la génératrice.  Un système de refroidissement pour refroidir le moteur et la génératrice.  Des capteurs pour mesurer la vitesse, la tension, le courant, la température, et pour détecter les défauts d’isolement. La fixation du moteur et de la génératrice se font avec les mêmes boulons d’assemblage utilisés pour le montage dans la locomotive.

Figure 44 : Distance entre les éléments

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Figure 45 : Assemblage des éléments du châssis

2-Choix de l’accouplement / contraintes Le bout d’arbre du MT - à l’extrémité pignon - est conique pour favoriser son adhérence avec le pignon. Il contient une partie filetée où se monte un écrou, c’est pour assurer que le pignon n’échappera pas vers l’extérieur si l’adhérence est faible au moment de rotation. (Voir annexe figure D) Le choix d’un accouplement dans les catalogues constructeurs revient à déterminer le couple et la puissance nominaux. Mais pour notre cas, il y a problème de la fixation de l’accouplement sur le bout d’arbre du MT. Car ce dernier est conique et ne contient pas ni méplat ni rainure de clavette. Pourtant, le logement et la fixation du pignon moteur sur l’arbre du MT se fait après son échauffement, et son extraction se fait à l’aide d’un extracteur hydraulique. Si l’accouplement est fixé et extrait de la même façon que le pignon, il y a risque que l’accouplement ou/et le bout d’arbre du MT s’éraillent, puisque l’accouplement sera manipulé plusieurs fois avec plusieurs MTs. Nous proposons alors que l’accouplement soit élastique afin d’éviter les problèmes d’alignement entre les deux arbres accouplés. Son moyeu aura la même conicité du bout d’arbre afin d’obtenir une bonne adhérence. Pour renforcer la fixation, l’écrou de la fixation du pignon peut être utilisé. Cet accouplement doit pouvoir transmettre au moins le couple utile de du MT (6220 Nm à 1940 tr/min). 42

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Ainsi, cet accouplement ne doit pas être encombrant, pour avoir la possibilité d’être monté sans avoir contact avec le nez avant situé sur le couvercle avant de la carcasse. Autrement dit, son diamètre extérieur au coté carcasse ne doit pas dépasser le diamètre du pignon (∅200 mm). Figure 46 : Nez avant du MT

Figure 47 : Assemblage ; deux MTs + châssis

3-Le refroidissement Pour que le moteur et la génératrice fonctionnent en charge et dans des bonnes conditions, il est nécessaire de les refroidir avec de l’air filtré. Dans la locomotive, le refroidissement des 6 MTs et de la génératrice principale se fait à l’aide d’une turbine. Cette dernière aspire l’air filtré et le refoule vers les 6 MTs et l’AR10. Elle est montée sur l’arbre de la génératrice auxiliaire GA et entrainée par la rotation du vilebrequin du MDZ. Pour notre application, il est possible d’utiliser un ventilateur soufflant vers les deux MTs à travers des canalisations et des filtres à air.

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4-Les capteurs Pendant l’essai d’un MT, il est nécessaire de surveiller certains paramètres tel que : o o o o

La vitesse de rotation La température Le courant absorbé La tension à l’entrée

Pour mesurer la vitesse de rotation des rotors, il est possible d’utiliser une génératrice tachymétrique. Il peut être fixé sur le bout d’arbre du MT générateur. Pour la mesure de la tension et le courant, des capteurs à effet Hall peuvent être utilisés. Ils ont l’avantage de permettre les mesures à distance. La mesure de la température peut être faite par l’appareil à Laser disponible au service outillage.

5-La détection des défauts Le matériau isolant des bobines perd sa capacité d’isolement si la température augmente, et lorsque la température diminue il reprend ça capacité. C’’est pour cela que parfois lorsque la locomotive est en route, le détecteur de la masse donne signal si la vitesse dépasse 85 km/h. En faisant tourner le moteur à une vitesse équivalente à 100 km/h (supérieure à 85 km/h), les défauts d’isolement des bobines peut être détectés à l’aide du mégohmmètre juste après la fin de l’essai en charge, puisque la température interne du moteur demeure presque la même. Et par conséquent la résistance d’isolement sera correctement mesurée. Le contrôle de la température des roulements donne une idée sur leur état. Si, au cours du temps de fonctionnement du MT, cette température monte excessivement avec le temps, alors les roulements sont ne sont pas bons.

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6-Estimation du coût du matériel utilisé Le tableau suivant donne une estimation du coût sur les composantes électriques du banc d’essai étudié.

Tableau 05 : Estimation des couts des éléments électriques

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Le banc d’essai proposé permet de faire fonctionner le MT en charge, en le faisant fonctionner à une vitesse et un couple constants, et de détecter les deux anomalies souvent rencontrées (roulements et isolation internes).

Pourtant, il est possible d’améliorer l’efficacité du banc pour pouvoir faire tourner le MT à des différentes vitesses, et de pouvoir détecter d’autres anomalies en ayant recours à l’analyse vibratoire. Cela nécessite une régulation de la vitesse avec le couple, tout en remplaçant le redresseur PD3 par un pont mixte afin d’avoir une tension d’alimentation variable et par conséquent une vitesse variable. Ceci exige la connaissance des caractéristiques exactes des paramètres du MT.

Le manque d’information et de la documentation sur le sujet d’étude (MT), a été parmi les grandes difficultés rencontrées durant la période du stage, puisque le constructeur (General Motors) ne fournit pas ses caractéristiques électriques.

La réalisation du banc d’essai proposé est un moyen rentable qui peut améliorer la maintenance des locomotives et minimiser leurs indisponibilités.

Pour clore, ce projet de fin d’études nous a été une opportunité précieuse. Ça nous a permis d’acquérir plus de connaissances sur le milieu industriel et d’avoir une expérience au coté technique ainsi que relationnel.

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Figure A : Catalogue SEMIKRON SKR 240/14

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Figure B : Dimensions du chapeau du MT (Manuel de maintenance des locomotives DH : MI 3900 G)

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Figure C : dimensions de la carcasse du MT (Manuel de maintenance des locomotives DH : MI 3900 G)

Figure D : Dimensions du bout d’arbre du MT (Manuel de maintenance des locomotives DH : MI 3900 G)

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