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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’enseignement sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’enseignement supérieure et de la recherche scientifique UNIVERSITE MENTOURI CONSTANTINE Faculté des sciences de l’ingénieur Département d’Electrotechnique THESE Présentée pour l’Obtention du Diplôme de Doctorat en Sciences En Electrotechnique Spécialité: Machines électriques Présentée par BELATEL MIMI THEME ETUDE DES MACHINES ELECTRIQUES PAR CAO Soutenue le: 06 / 07 /2009 Devant le jury : Président : M. Aissa Bouzid Prof Univ. Constantine Rapporteur : M. Hocine Benalla Prof Univ. Constantine Examinateurs: M. Boubaker Azoui Prof Univ. Batna M. Abdelhak Bennia Prof Univ. Constantine M. Djallel Dib M.C Univ. Tebessa Remerciements Mes remerciements vont premièrement à Dieu tout puissant pour la volonté, la santé et la patience qu’il m’a donné durant toutes ces longues années. Je tiens à remercier sincèrement toute personne m’a aidée de près ou de loin pour évaluer ce travail et plus particulièrement mon encadreur Monsieur Hocine Benalla, Professeur au département d’électrotechnique de Constantine. Je tiens à lui exprimer ma reconnaissance pour la confiance qu’il m’a accordée et pour l’intérêt qu’il a constamment porté à mes travaux de recherches. Je suis très sensible à l’honneur que m’a fait Monsieur Aissa Bouzid, Professeur au département d’électrotechnique de Constantine, en acceptant de présider la commission d’examen de ma présente thèse de Doctorat en science. Je remercie chaleureusement Monsieur Boubaker Azoui, Professeur à l’Université de Batna, Monsieur Abdelhak Bennia, Professeur à l’Université de Constantine ainsi que Monsieur Djallel Dib, Maître de Conférence à l’Université de Tebessa, pour avoir participé avec leurs esprit critique au jury et pour avoir examiné avec beaucoup d’attention et débat ma thèse. Je tiens enfin à exprimer mes vifs remerciements à toute l’équipe MAGE du laboratoire G2ELAB (Grenoble Génie Electrique) de m’avoir accepter d’être parmis eux dans des stages de courtes durées, et à ceux qui ont contribués de près ou de loin dans ce laboratoire pour que je puisse avancer dans ma recherche. Je tiens à remercier beaucoup ma famille et plus particulièrement ma très chère mère, qui ma beaucoup encouragée et à qui je dois ma réussite ainsi que mes deux frères qui ont été un soutien pour moi dans les bons et les mauvais moments pendant la préparation de ce travail. Sommaire Sommaire Introduction Générale 1 Chapitre I: CAO des Machines Electriques : Etat de l’Art I.1 INTRODUCTION 4 I.2 HISTORIQUE DES MACHINES ELECTRIQUES 4 I.3 DEFINITIONS ET ETAPES DE CAO 12 I.3.1 Choix de la structure du dispositif 13 I.3.2 Dimensionnement de la structure choisie 13 I.4 NECESSITE ET APPLICATIONS DE CAO 14 I.5 CAO : MISE EN ŒUVRE 16 I.5.1 Matériel 16 I.5.2 Logiciel 16 I.6 OUTILS DE CAO 17 I.6.1 Outils d’aide au choix de la structure du dispositif à concevoir 17 I.6.2 Outils de dimensionnement de la structure du dispositif à concevoir 17 I.7 METHODOLOGIES EN CONCEPTION DES MACHINES ELECTRIQUES 18 I.7.1 Démarche de conception 18 I.7.2 Nature des problèmes 19 I.7.3 Formulations mathématiques 19 I.8 CAO DES MACHINES ELECTRIQUES 19 I.8.1 Problématiques 20 I.8.2 Motivations 21 I.9 CAO : ASPECTS ECONOMIQUES 23 I.10 LA CAO DU FUTUR 24 I.11 CONCLUSION 25 Chapitre II: CAO d’un Générateur Synchrone à Pôles Saillants sous Matlab II.1 INTRODUCTION 26 II.2 DESCRIPTION DE LA MACHINE SYNCHRONE 26 II.3 MISE EN EQUATIONS DES MACHINES SYNCHRONES 29 II.3.1 Equations en termes des variables de phases 29 II.3.2 Transformation de Park 33 II. 3.3 Calcul opérationnel 39 II.4 PROBLEMATIQUE DU GENERATEUR SYNCHRONE A POLES SAILLANTS 41 II.4.1 Principe de la méthode des éléments finis 41 II.4.1.1 Formulation magnétostatique 43 II.4.1.2 Formulation magnétodynamique couplée aux équations de circuit 45 II.4.2 Principe de la méthode des éléments finis de frontières 49 II.4.3 Mise en équations de la méthode développée pour faire l’étude du générateur synchrone 50 II.4.4 Architecture du superviseur utilisé 53 II.4.4.1 Le Pré-processeur 55 II.4.4.2 Le Processeur 56 II.4.4.3 Le Post-processeur 56 II.5 RESULTATS DE MODELISATION DU GENERATEUR SYNCHRONE A POLES 57 II.5.1 La géométrie 58 II.5.2 Le maillage 58 II.5.3 Les conditions aux limites 58 II.5.4 Les coefficients 58 II.5.5 La résolution 60 II.5.6 L’exploitation 60 II. 6 CONCLUSION 63 Sommaire Chapitre III: CAO d’un Générateur Synchrone à Aimant Permanent sous Flux III.1 INTRODUCTION 65 III.2 ETAT DE L’ART 66 III.3 DESCRIPTION DU SYSTEME ENERGETIQUE UTILISE DANS LA PRODUCTION D’ENERGIE EOLIENNE 68 III.4 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE L’EOLIENNE 71 III.5 CONVERSION DE L’ENERGIE EOLIENNE EN ENERGIE ELECTRIQUE 72 III.6 PRESENTATION DES MACHINES SYNCHRONES A AIMANTS PERMANENTS 73 III.6.1 Classification des machines synchrones à aimants permanents 74 III.6.1.1 Les machines sans pièces polaires (SPP) 74 III.6.1.2 Les machines avec pièces polaires (APP) 75 III.6.2 Méthodes de calcul des machines synchrones à aimants permanents 76 III.7 PROBLEMATIQUE DU GENERATEUR SYNCHRONE A AIMANTS PERMANENTS 77 III.7.1 Modèle géométrique 82 III.7.2 Modèle électromagnétique 84 III.7.2.1 Calcul de l’induction d’entrefer par une modélisation par des réluctances 87 III.7.2.2 Calcul de l’induction d’entrefer par résolution des équations du champ en séparant les variables 88 III.7.3 Modèle numérique 91 III.7.3.1 Description du logiciel 92 III.7.3.1a Description géométrique et maillage: PREFLUX 92 III.7.3.1b Description des circuits : CIRFLU 95 III.7.3.1c Gestion de la banque de matériaux : CSLMAT 96 III.7.3.1d Description des propriétés physiques : PROPHY, COPPRO, MODPRO 97 III.7.3.1e Résolution des problèmes : SOLVER 97 III.7.3.1f Exploitation des résultats : POSTPRO 97 III.7.3.2 Validations des résultats de simulation analytique-numérique 99 III.8 CONCLUSION 102 Chapitre IV: CAO Optimisée d’un Moteur Asynchrone sous Matlab/Flux 2D IV.1 INTRODUCTION 103 IV.2 ETAT D’ART DE LA MACHINE ASYNCHRONE 104 IV.2.1 Description de la machine asynchrone 105 IV.2.2 Principe de fonctionnement de la machine asynchrone 108 IV.3 MISE EN EQUATIONS ET PROBLEMATIQUE DU MOTEUR ASYNCHRONE 109 IV.3.1 La modélisation électromagnétique du moteur asynchrone 109 IV.3.1.1 Les modèles externes 109 IV.3.1.2 Les modèles internes 115 IV.3.1.3 Couplage des équations électriques et magnétiques dans un moteur asynchrone 116 IV.3.1.3a Equations du rotor 118 IV.3.1.3b Equations du stator 120 IV.3.2 Résultats de la modélisation électromagnétique du moteur asynchrone 122 IV.4 OPTIMISATION DU MOTEUR ASYNCHRONE PAR CAO/ANN’s 126 IV.4.1 Problématique de CAO optimisée du moteur asynchrone 126 IV.4.2 Résultats de CAO optimisée du moteur asynchrone 128 IV.4.3 Problématique d’optimisation du moteur asynchrone par les réseaux de neurones 133 IV.4.4 Principes et définitions des réseaux de neurones artificiels 134 IV.4.5 Résultats d’optimisation du moteur asynchrone par les réseaux de neurones 140 IV.5 CONCLUSION 141 Conclusion Générale 142 Bibliographie 144 Introduction Générale Introduction générale 1 Introduction Générale Ce travail est basé sur l’étude des machines électriques par CAO et plus particulièrement les machines synchrones et asynchrones. Ces machines sont les versions les plus répandues des machines électriques classiques dans tous les systèmes énergétiques. Les grandes génératrices synchrones équipent, presque sans exception, toutes les centrales électriques. Les machines synchrones à aimants permanents sont de plus en plus utilisés grâce aux nombreux progrès techniques enregistrés, ces dernières décennies dans les domaines de l’électronique de puissance, des systèmes de commande et des matériaux. Tandis que dans l’industrie, les moteurs asynchrones à cage d’écureuil se sont largement imposés par leurs robustesse, leurs simplicité de réalisation et l’absence de contacts mobiles au rotor [1]. Le terme de «Conception assistée par ordinateur» ou bien CAO est aujourd’hui utilisée à tort et à travers, ce qui lui vaut de perdre de sa signification. Pour des personnes, cette appellation couvre l’ensemble des tâches qu’un ordinateur est capable d’assumer lors du développement de produits techniques, les spécialistes utilisent plutôt le vocabulaire de «X » assistée par ordinateur (XAO), où «X» peut être remplacé par «dessin», «fabrication», «conception», etc. D’autre part, il est naïf de croire que l’emploi de moyens de CAO n’est justifié que lors du calcul des circuits électroniques intégrés, avant de disserter sur les différentes possibilités de la CAO dans le domaine des machines électriques [2]. La conception des machines électriques modernes est une tâche difficile dans le sens où la géométrie de celles-ci est complexe et leurs modèles sont non-linéaires à cause des phénomènes électromagnétiques, mécaniques et thermiques qui interagissent et présentent un couplage fort. De plus, les caractéristiques et les performances requises doivent être optimisées, tout en respectant un ensemble de contraintes techniques et/ou économiques exigé par le cahier des charges. La souplesse et la puissance des ordinateurs croissant de plus en plus, ont incités les chercheurs chargés de la conception des machines électriques à développer des programmes de dimensionnement et d’optimisation de plus en plus performants. Ces outils permettent une conception assistée par ordinateur (CAO), basée essentiellement sur l’analyse, la simulation et l’exploitation automatique des ensembles de solutions possibles. De nos jours, un outil de CAO optimisée des machines électriques doit tenir compte des contraintes d’un cahier des charges prédéfini, prendre en considération les différents phénomènes Introduction générale 2 électromagnétiques, thermiques au sein de la machine à concevoir et optimiser les performances en cherchant une meilleure solution. Afin de réaliser une telle tâche, on a besoin d’une modélisation analytique et/ou numérique des différents phénomènes qui régissent le fonctionnement de la machine. Un modèle aussi général et précis que possible, pourvu d’un minimum d’hypothèses simplificatrices et ne nécessitent pas un temps de traitement excessif, est préférable. D’autre part, un ensemble de techniques d’optimisations sous uploads/Industriel/bel5338-pdf.pdf