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MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES ALTERNATEUR SYNCHRONE MONOPHASÉ BASSE VITESSE PR

MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES ALTERNATEUR SYNCHRONE MONOPHASÉ BASSE VITESSE PROJET APPLIQUÉ DE FIN D’ÉTUDES EN INGÉNIERIE DANS LE CADRE DU PROGRAMME DE BACCALAURÉAT EN GÉNIE ÉLECTROMÉCANIQUE Présenté par : Imad El Mekkaoui Superviseur : Rene Wamkeue, ing., Ph.D., Professeur Représentant industriel : Pierre Prévost, ing. 11 Avril 2011 PFE Imad El Mekkaoui Hiver 2011 Page iii Remerciements Je tiens à remercier en premier lieu Dieu tout puissant, qui m’a donné la volonté, le courage et la patience. Ensuite, mes parents qui m’ont soutenu financièrement et moralement. D’autre part, je remercie particulièrement Monsieur Pierre Prévost ing, président de l’entreprise Pierre Prévost Inc. pour sa patience et son aide apporté et sa participation précieuse tout le long du projet. Ainsi que mon professeur superviseur Monsieur Rene Wamkeue ing., Ph.D., professeur Titulaire à l’UQAT, qui m’a bien encadrer dans la bonne voie grâce à son expérience, sa méthode de travail et ses conseils judicieux. Je remercie aussi Monsieur Jean-Jacques Beaudoin, responsable des laboratoires, auxiliaire d'enseignement en génie électromécanique à l’UQAT pour son temps précieux accordé à ce projet et ses conseils pertinents, sans oublier Monsieur Mohamed Amine Khalf étudiant en maitrise à l’UQAT qui a bien pris de son temps pour contribuer à l’acheminement de ce projet, sans son aide, ce projet n’aura pas abouti. Finalement, j’adresse mes remerciements à tous mes collègues et amis qui m’ont venus en aide à maintes reprises. PFE Imad El Mekkaoui Hiver 2011 Page iv Résumé Dans le cadre du projet appliqué de fin d’études du Baccalauréat en génie électromécanique à l’Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue, Pierre-Prévost Inc., mandate trois équipes des étudiants pour l’amélioration d’une éolienne qui sert à satisfaire les besoins quotidiens en matière d’énergie électrique pour usage domestique. Ce rapport, présenté par une équipe d’un étudiant, se concentre sur la conception d’une génératrice synchrone monophasé tournant à basse vitesse. En premier lieu, une description détaillée de la machine actuelle a été présenté. Par la suite, un bref survol de l’aspect théorique des machines synchrones et des éléments finis est présenté dans le but de mieux analyser la machine en question. Subséquemment, deux méthodes concernant le dimensionnement sont présentées. La synthèse des résultats obtenues théoriquement et en simulant par éléments finis permettent de prendre une décision sur la base de laquelle solution finale est sélectionnée. Cette solution est développée en se basant sur un processus itératif combiné à des analyses par éléments finis sur le logiciel ANSYS Workbench. Le résultat final est validé à l’aide de graphique de la courbe de magnétisation obtenue par simulation. Avant la conclusion, une étude économique est affichée sous forme de résultats. Ultimo, un bordereau des recommandations recueillis via ce rapport et une conclusion sont suggérés. PFE Imad El Mekkaoui Hiver 2011 Page v Abstract Under the project implemented Graduation Baccalaureate in electromechanical engineering at the University of Quebec in Abitibi-Temiscamingue, Pierre Prevost Inc., orders three teams of students to improve a windmill. This report, presented by a team of one student, focuses on the section of designing a single-phase synchronous generator running at low speed to satisfy the daily needs of electricity for domestic use. First, a detailed description of the current machine has been presented. Subsequently, a brief overview of the theoretical aspect of synchronous machines and finite element is presented in order to better analyze the machine in question. Then, two methods for sizing are presented. The synthesis of the results obtained theoretically and simulated by finite element has as target to take a decision on the basis of which final solution is selected. This solution is developed based on an iterative process combined with the finite element analysis software ANSYS Workbench. The ultimate result is validated by using the graphics of magnetization curve obtained by simulation. Before concluding, an economic study is displayed as results. Ultimo, a list of recommendations collected through this report and a conclusion is suggested. PFE Imad El Mekkaoui Hiver 2011 Page vi Table des matières Chapitre 1 : Présentation du projet et étude des besoins du mandat .............................................1 1.1. Introduction ............................................................................................................... 2 1.2. Présentation de l’entreprise ....................................................................................... 3 1.3. Problématique ........................................................................................................... 4 1.4. Description de la machine .......................................................................................... 5 1.5. Le mandat .................................................................................................................. 8 Chapitre 2 : Analyse de l’état actuel de la machine .........................................................................9 2.1. Introduction :........................................................................................................... 10 2.2. Récapitulatif de l’état actuel de la génératrice : ....................................................... 11 2.3. Les différents paramètres permettant l’étude et l’analyse de la machine : ............... 12 2.4. Explications détaillées des besoins du mandat : ....................................................... 12 2.5. Hypothèses et recommandation ............................................................................... 13 2.6. Conclusion ............................................................................................................... 13 Chapitre 3 : Aspect théorique et recherche de solutions ...............................................................14 3.1. Aspect Théorique : ................................................................................................... 15 3.2. Recherche de solution : ............................................................................................ 15 Chapitre 4 : Analyse théorique de l’alternateur synchrone monophasé à basse vitesse .............16 4.1. Introduction :........................................................................................................... 17 4.2. Analyse théorique : .................................................................................................. 17 4.3. Dimensionnement du rotor ...................................................................................... 17 4.2.1. Première méthode : .......................................................................................... 18 4.2.2. Deuxième méthode : ......................................................................................... 19 4.3. Dimensions au stator : ............................................................................................. 23 4.6. Calcule numérique et conclusion: ............................................................................ 27 Chapitre 5 : Modélisation et analyse électromagnétique sous ANSYS ........................................29 5.1. Introduction ............................................................................................................. 30 5.2. Préparation de la géométrie ..................................................................................... 31 5.3. Choix des matériaux : .............................................................................................. 32 5.4. Maillage du modèle : ................................................................................................ 34 5.5. Définition des charges et des conditions aux limites ................................................. 35 5.6. Solution du problème : ............................................................................................. 35 PFE Imad El Mekkaoui Hiver 2011 Page vii 5.7. Conclusion ............................................................................................................... 36 Chapitre 6 : Raffinement du prototype ...........................................................................................37 6.1. Introduction ............................................................................................................. 38 6.2. Optimisation du circuit magnétique. ........................................................................ 38 6.3. Simulation sous ANSYS ........................................................................................... 41 6.4. Calcul du courant du champ et tracé de la courbe de magnétisation ........................ 43 Chapitre 7 : Analyse de rentabilité ..................................................................................................49 Chapitre 8 : Conclusion et recommandation ..................................................................................53 BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................................56 ANNEXES ..........................................................................................................................................58 ANNEXE A : Théorie des machines synchrone monophasées. .....................................................59 ANNEXE B : Caractéristiques du prototype Lab-Volt ................................................................73 ANNEXE C : Analyse électromagnétique du prototype Lab-Volt sous ANSYS ....................78 ANNEXE D : Transformation triphasé en monophasé pour le Lab-Volt. ...................................93 ANNEXE E : Dimensionnement et équations magnéto-électriques du Lab-Volt. ....................119 ANNEXE F : Tableau des caractéristiques des conducteurs Normalisés (EASA) ....................132 ANNEXE G : Programme MATLAB pour le chapitre 4 ............................................................135 ANNEXE H : Résultats du Programme MATLAB pour le chapitre 4 ......................................143 ANNEXE I : Rotating Electrical Machines ..................................................................................149 ANNEXE J : Rapport ANSYS Workbench ..................................................................................155 ANNEXE K : Les plan du prototype .............................................................................................186 PFE Imad El Mekkaoui Hiver 2011 Page viii Liste des figures Figure1. 1: Illustration présentant une éolienne et une nacelle. ..........................................................3 Figure1. 2: Photo présentant les pales de l'éolienne. ...........................................................................5 Figure1. 3: Présentation de la nacelle et la transmission. ....................................................................6 Figure1. 4: Structure Mât haubané de 10 m. ........................................................................................6 Figure1. 5: Le dispositif de commande et de protection de l'éolienne. ...............................................7 Figure2. 1: Le dispositif de commande et de protection de l'éolienne. ............................................ 11 Figure4. 1: Représentation du degré électrique. ............................................................................... 24 Figure4. 2: Illustration de la méthode de bobinage. .......................................................................... 28 Figure5. 1: Illustration de la modélisation sous Solid Works pour le prototype du départ. .............. 30 Figure5. 2: Modélisation sous ANSYS du modèle de départ. ............................................................. 31 Figure5. 3: La courbe B-H de magnétisation de la tôle M-27. ........................................................... 33 Figure5. 4: La courbe de B-H de magnétisation du fer pure. ............................................................. 33 Figure5. 5: Maillage du modèle initial. ............................................................................................... 34 Figure5. 6: Illustration de l'application de la tension et le courant dans la bobine. .......................... 35 Figure5. 7: Présentation de la solution de la densité Totale de flux magnétique. ............................ 36 Figure6. 1: Présentation du modèle finale sur Solid Works. .............................................................. 39 Figure6. 2: Présentation du Rotor. ..................................................................................................... 40 Figure6. 3: Présentation du stator. .................................................................................................... 40 Figure6. 4: Figure présentant la préparation de la géométrie pour le prototype final sous ANSYS. . 41 Figure6. 5: Illustration du maillage avec un zoom sur l'entrefer. ...................................................... 42 Figure6. 6: Présentation des résultats de simulation. ....................................................................... 43 Figure6. 7: La distribution de la densité de flux radiale pour un courant de champ 28 A. ................ 44 Figure6. 8: Présentation du résultat de la densité de flux radial pour les 19 harmoniques. ............. 46 Figure6. 9: La courbe de magnétisation de la machine. .................................................................... 48 PFE Imad El Mekkaoui Hiver 2011 Page ix Liste des Tableaux Tableau 2. 1: Tableau présentant les différents éléments de la génératrice. ................................... 12 Tableau 4. 1: Les dimensions de la machine en fonction de la contrainte tangentielle. ................... 22 Tableau 4. 2: Les résultats d'application numérique et les données du départ. ............................... 28 Tableau 5. 1: Les caractéristiques des matériaux attribuées à chaque élément de la machine. ...... 32 Tableau 5. 2: Présentation des caractéristiques du maillage. ........................................................... 34 Tableau 6. 1: Présentation de l'intervalle d'induction dans chaque élément. .................................. 38 Tableau 7. 1: Tableau des coûts pour chaque composant. ................................................................ 50 PFE Imad El Mekkaoui Hiver 2011 Page 1 Chapitre 1 : Présentation du projet et étude des besoins du mandat PFE Imad El Mekkaoui Hiver 2011 Page 2 1.1. Introduction Il y a environ un siècle, le monde avait connu un développement technologique très véloce, en uploads/Industriel/ alternateur-synchrone-monophase-basse-vitesse 1 .pdf