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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 595 − 1 Conception assistée par ordinateur (CAO) Machine synchrone par Thierry LECOMTE Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité Ingénieur d’Études au Département d’Électrotechnique Avancée GEC Alsthom 1. Dimensionnement des machines synchrones.................................. D 3 595 - 2 1.1 Modes d’utilisation de l’ordinateur............................................................ — 2 1.1.1 Traitement par lots (ou batch )........................................................... — 2 1.1.2 Traitement interactif ou conception assistée par ordinateur (CAO) — 2 1.2 Structure du programme ............................................................................ — 3 1.2.1 Généralités .......................................................................................... — 3 1.2.2 Entrée des données............................................................................ — 4 1.2.3 Fichiers ................................................................................................ — 4 1.2.4 Calculs électriques.............................................................................. — 5 1.2.5 Calculs mécaniques............................................................................ — 6 1.2.6 Programmes auxiliaires ..................................................................... — 6 1.3 Perspectives d’évolution de la CAO........................................................... — 8 1.4 Optimisation................................................................................................. — 9 2. Détermination des champs électromagnétiques............................ — 9 2.1 Généralités ................................................................................................... — 9 2.2 Méthode des éléments ﬁnis........................................................................ — 9 2.2.1 Préliminaires ....................................................................................... — 9 2.2.2 Formulation......................................................................................... — 10 2.2.3 Conditions aux limites........................................................................ — 11 2.2.4 Non-linéarité ....................................................................................... — 11 2.3 Calcul de la coupe transversale d’une machine synchrone..................... — 12 2.3.1 Organigramme.................................................................................... — 12 2.3.2 Maillage............................................................................................... — 12 2.3.3 Matériaux et régime de fonctionnement.......................................... — 14 2.3.4 Largeur de bande................................................................................ — 15 2.3.5 Résolution ........................................................................................... — 16 2.3.6 Convergence ....................................................................................... — 16 2.3.7 Exploitation ......................................................................................... — 17 2.3.8 Stockage des résultats. Fichiers ........................................................ — 18 2.4 Régimes transitoires.................................................................................... — 20 2.4.1 Généralités .......................................................................................... — 20 2.4.2 Formulation......................................................................................... — 20 2.4.3 Résolution pas à pas .......................................................................... — 20 2.5 Choix du mode d’exécution........................................................................ — 21 3. Conclusion ................................................................................................. — 21 4. Annexe : calcul d’une machine synchrone par ordinateur .......... — 22 4.1 Listage de sortie........................................................................................... — 22 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 3 595 CONCEPTION ASSISTÉE PAR ORDINATEUR (CAO) _____________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. D 3 595 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique l’approche de l’an 2000, la formidable évolution de l’informatique et le développement de la conception assistée par ordinateur (CAO) bouleversent les méthodes de travail des ingénieurs électrotechniciens. À ses premiers balbutiements, l’informatique était un peu considérée comme une science ésotérique réservée à quelques initiés, et les scientiﬁques avaient tendance à dédaigner l’ordinateur. Depuis, l’essor prodigieux de l’électronique, l’évolution des mentalités et l’arrivée de nouvelles générations d’ingénieurs formés aux techniques de pointe ont balayé tous ces obstacles. Face à l’âpreté de la concurrence, les ingénieurs doivent répondre très rapidement à de nombreux appels d’offres, développer de nouvelles technologies plus efﬁcaces pour un coût moindre et fournir des documents techniques élaborés dans une présentation soignée. Ce souci de compétitivité conduit les constructeurs à doter leurs bureaux d’études de moyens sans cesse perfectionnés. Naguère centralisés, les moyens informatiques se répandent dans les services de calculs électriques et mécaniques, apportant un meilleur confort et des performances accrues, gages de compétitivité. Par le truchement de deux exemples relatifs au dimensionnement (§ 1) et à la détermination des champs électromagnétiques (§ 2) des machines syn- chrones, nous nous proposons d’exposer une manière de concevoir des pro- grammes de calculs sophistiqués et leur adaptation à la CAO. A 1. Dimensionnement des machines synchrones Pour un constructeur de machines électriques, la nécessité de pos- séder des programmes de dimensionnement performants et auto- matisés n’est plus à démontrer. L’élaboration de tels programmes n’est pas une mince affaire ; elle est très coûteuse en heures d’ingé- nieurs et de programmeurs. De plus, ces programmes doivent être sufﬁsamment malléables pour permettre toute modiﬁcation ulté- rieure rendue nécessaire par un changement de technologie ou même de matériel informatique. Notre propos n’est donc pas de développer les méthodes de calcul des machines synchrones, mais de montrer comment insérer leur formulation dans un environne- ment informatisé, modulaire et évolutif. Le lecteur pourra se reporter utilement, dans ce traité, à l’article Machines synchrones. Dimensionnement électromagnétique [15]. 1.1 Modes d’utilisation de l’ordinateur La facilité et la commodité d’utilisation d’un programme de calcul dépendent en majeure partie du mode de fonctionnement de l’ordi- nateur. On peut, essentiellement, en distinguer deux : — le traitement par lots ; — le traitement interactif. 1.1.1 Traitement par lots (ou batch ) Ce type de traitement est souvent utilisé à partir de terminaux alphanumériques reliés à un ordinateur multitâche de grande puis- sance. L’opérateur commence par encoder le ﬂot d’informations nécessaires au déroulement du calcul (cartes de contrôles, jeux de données) au moyen d’un éditeur. Le ﬁchier ainsi constitué est ensuite injecté dans l’ordinateur et prend place dans une ﬁle d’attente, l’exé- cution des travaux se déroulant séquentiellement. Lorsque le calcul a démarré, l’opérateur a toute latitude d’en surveiller passivement le déroulement et de consulter les résultats intermédiaires, sa seule intervention possible étant d’arrêter le calcul en cours d’exécution s’il le désire. Il modiﬁe alors, éventuellement, les données et recom- mence le processus. Il est clair que cette succession d’opérations prend beaucoup de temps, surtout si l’ordinateur est surchargé. 1.1.2 Traitement interactif ou conception assistée par ordinateur (CAO) Un poste de CAO comporte principalement une unité centrale, un clavier alphanumérique, un écran graphique, un dispositif de poin- tage (souris ou crayon optique par exemple), une imprimante et un petit traceur (cf., dans ce traité, article CAO en génie électrique. Méthodes et techniques ) [16]. L’unité centrale est, en général, un ordinateur relié à plusieurs stations de travail, ce qui minimise l’investissement. Le partage de son activité a pour corollaire une variation sensible de sa rapidité en fonction du nombre d’utilisateurs simultanés. L’apparition de micro-ordinateurs (appelés communé- ment PC) puissants et de faible coût permet, à présent, à chaque ingénieur de disposer d’un poste de travail autonome, pouvant être raccordé à l’ordinateur central par une liaison du type PC 3270. Cette connexion permet de proﬁter d’une importante puissance de calcul, lorsque le traitement interactif ne s’impose pas, et de transférer les ﬁchiers importants dans une bibliothèque de sauvegarde. Ce trans- fert périodique est la meilleure façon de se prémunir contre une fausse manœuvre, une panne de matériel ou un incendie suscep- tibles d’anéantir le fruit d’un long labeur. Ce qui caractérise la CAO est l’interactivité homme-machine et la représentation graphique ; cette interactivité permet à l’opérateur d’intervenir à tout moment de manière directe et immédiate sur un ensemble de paramètres qu’il peut modiﬁer à son gré, le résultat de son action étant visualisé aussitôt sur l’écran. Le programme contrôle également la validité des données, exige de l’opérateur qu’il fournisse les paramètres obligatoires et calcule les valeurs manquantes, dans la mesure où le logiciel a été bien conçu. Enﬁn, en cas d’erreur majeure, l’opérateur, qui assiste à toutes les opéra- tions successives, peut interrompre le calcul et obtenir aisément les éléments permettant un diagnostic rapide. Le dialogue ininterrompu entre l’homme et la machine supprime les temps d’attente et les ____________________________________________________________________________________________ CONCEPTION ASSISTÉE PAR ORDINATEUR (CAO) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 595 − 3 travaux fastidieux, augmente la productivité de l’activité intellec- tuelle et permet à l’homme de développer son imagination créatrice avec le maximum de confort. L’interactivité facilite également la mise au point des logiciels, y compris ceux réservés au traitement par lots ; le programmeur peut ainsi tester séparément chaque module, effectuer une exécution pas à pas au moyen d’un débogueur [22] et détecter très rapidement la cause d’un mauvais fonctionnement. 1.2 Structure du programme 1.2.1 Généralités Du fait de l’importance et de la complexité du programme de dimensionnement des machines synchrones, il est nécessaire de s’imposer des règles strictes lors de son élaboration de façon à conserver une grande souplesse vis-à-vis des modiﬁcations que l’on ne manquera pas d’effectuer lors des mises à jour ultérieures. Les caractéristiques de ce programme, écrit en FORTRAN [23], sont données ci-après. D’autres langages sont parfaitement envisa- geables comme le Pascal ou le C. I Structure modulaire Un logiciel fonctionnel doit être structuré, chaque sous- programme accomplissant une tâche spéciﬁque. Le calcul d’une machine se subdivisant en un grand nombre de sous-ensembles (ﬁgure 1), on est amené tout naturellement à décomposer le pro- gramme en modules élémentaires, eux-mêmes découpés en sous- routines associées aux différentes fonctionnalités. On peut ainsi répartir l’écriture et la maintenance de ces différents modules entre les services concernés, ce qui permet de disposer de calculs tant élec- triques que mécaniques. Cette interconnexion des services par le biais de l’ordinateur limite les échanges de feuilles de calcul, prin- cipalement dus au fait qu’un dimensionnement satisfaisant du point de vue électrique peut ne pas être viable sur le plan mécanique. L’éva- luation des coûts, fort utile pour une optimisation d’ordre éco- nomique, est faite par un programme séparé, de même que le tracé des courbes (cf. § 1.2.6 programmes auxiliaires). I Programme principal moniteur Son rôle est de gouverner le calcul, par appels successifs des sous- programmes. En fonction des données, il détermine la séquence de calcul adéquate et permet, par exemple, d’optimiser certains para- mètres suivant des critères uploads/Ingenierie_Lourd/ conception-assistee-par-ordinateur-2.pdf