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f UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES THÈSE PRÉSENTÉE À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBE

f UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES THÈSE PRÉSENTÉE À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES COMME EXIGENCE PARTIELLE DU DOCTORAT EN GÉNIE ÉLECTRIQUE (Ph.D.) PAR Gabriel RAKOTONIRINA MODÉLISATION THERMIQUE DES MOTEURS ASYNCHRONES À CAGE PAR LA MÉTHODE DES ÉLÉMENTS FINIS Membres du Jury : Monsieur Adam Skorek, Président du Jury, UQTR Monsieur Anatole Sévigny, Directeur de recherche, UQTR Monsieur Ahmed Chériti, UQTR Monsieur Ahmed Lakhsasi, UQAH Monsieur Réjean Girard, L TEE - Hydro-Québec 30 AVRIL 2001 Université du Québec à Trois-Rivières Service de la bibliothèque Avertissement L’auteur de ce mémoire ou de cette thèse a autorisé l’Université du Québec à Trois-Rivières à diffuser, à des fins non lucratives, une copie de son mémoire ou de sa thèse. Cette diffusion n’entraîne pas une renonciation de la part de l’auteur à ses droits de propriété intellectuelle, incluant le droit d’auteur, sur ce mémoire ou cette thèse. Notamment, la reproduction ou la publication de la totalité ou d’une partie importante de ce mémoire ou de cette thèse requiert son autorisation. Remerciements Le travail présenté dans cette thèse a été effectué à la Chaire de Recherche Industrielle d'Hydro-Québec sur la Puissance et l'Énergie Électrique (CPEE) / CRSNG du Département de Génie Électrique et Génie Informatique de l'Université du Québec à Trois-Rivières et au Laboratoire des Technologies Électrochimiques et des Électrotechnologies d'Hydro-Québec à Shawinigan. Je tiens à exprimer mes remerciements à : Monsieur Réjean Girard, Ph.D., Chef Applications Industrielles du Laboratoire des technologies électrochimiques et des électrotechnologies d'Hydro-Québec (L TEE), en m'accueillant dans son laboratoire et pour l'honneur qu'il me fait en acceptant d'être examinateur de cette thèse ; Monsieur Ahmed Lakhsasi, Ph.D., Professeur au Département de Génie Informatique de l'Université du Québec à Hull, initiateur de ce projet de recherche et qui me fait l'honneur d'être un des examinateurs de cette thèse; Monsieur Adam Skorek, Ph.D., Professeur au Département de Génie Électrique et Génie Informatique et Directeur du Groupe de Recherche en Électronique Industrielle (GRÉI) de l'Université du Québec à Trois-Rivières, en me faisant l'honneur de se joindre aux membres des examinateurs de cette thèse; Monsieur Ahmed Cheriti, Ph.D., Professeur au Département de Génie Électrique et Génie Informatique de l'Université du Québec à Trois-Rivières, pour avoir accepté de se joindre aux membres d'examinateurs de cette thèse. Que Messieurs Anatole Sévigny, D.Sc.A., Professeur au Département de Génie Électrique et Génie Informatique de l'Université du Québec à Trois-Rivières, et Jianhong Xu, Dr.Ing., Chercheur Scientifique à la Chaire de Recherche Industrielle d'Hydro-Québec / CRSNG du Département de Génie Électrique et Génie Informatique de l'Université du Québec à Trois-Rivières, qui ont dirigé ensemble cette thèse, trouvent ici l'assurance de mes sincères remerciements pour m'avoir guidé et encouragé durant ce travail. Aux Titulaires de la Chaire de Recherche Industrielle CPEE de l'Université du Québec à Trois-Rivières, MM. V. Rajagopalan, Dr.Ing. et P. Sicard, Ph.D., qui se sont succédés à sa direction, pour leur support matériel, académique et financier dans la réalisation de cette thèse, je présente mes sincères remerciements. Je remercie chaleureusement tous mes camarades chercheurs et étudiants pour leur appui constant durant ce travail. Je tiens également à remercier tout le personnel administratif et technique du Département de Génie Électrique et Génie Informatique de l'Université du Québec à Trois-Rivières. 11 Mes chaleureux remerciements à Messieurs André Charrette, Pierre Angers et François St-Onge du L TEE, sans qui, la partie expérimentale de cette thèse n'aurait pu être réalisée. l'adresse mes remerciements : Au gouvernement fédéral du Canada qUi, par l'entremise de l'Association Canadienne pour le Développement International (ACDI) et par le biais d'une bourse d'étude octroyée par le Programme Canadien des Bourses de la Francophonie (PCBF), m'a aidé financièrement pour poursuivre des études au Canada, et à leurs personnels et ceux du Ministère de l'Éducation du Québec qui m'ont accompagné et conseillé tout au long de ce travail. Au gouvernement de la République de Madagascar, particulièrement le Ministère de l'Enseignement Supérieur, qui m'a fait bénéficier de cette bourse d'étude. Je tiens à remercier la direction Générale de l'Institut Supérieur de Technologie de Diégo-Suarez Madagascar, pour leur compréhension de l'importance de cette formation et de leur aide morale et financière. À toute ma famille, qu'elle trouve en ces mots mes plus grandes admirations et reconnaissances pour tant de compréhension à ma longue absence. À ma famille au Canada, qui de par leur présence, leur compréhension et leur support moral m'a épaulé avec conviction, je leur présente mes remerciements du fond du cœur. À toutes et à tous, je sais que Dieu seul peut vous rendre la pareille! III RÉSUMÉ Les moteurs asynchrones à cage sont de plus en plus utilisés dans le secteur industriel. Les raisons sont principalement liées à des critères de robustesse et du moindre entretien, au développement des moteurs à haut rendement et au développement d'alimentations électroniques performantes (convertisseurs statiques). Cependant, l'augmentation des puissances massiques et l'utilisation d'alimentations non purement sinusoïdales et à fréquence variable ont accru un problème de taille : les moteurs deviennent très sensibles du point de vue thermique aux fluctuations plus ou moins importantes des pertes génératrices de chaleur. Comme leur fonctionnement est fortement conditionné par leur environnement extérieur et leur mode de fabrication, une étude rigoureuse du comportement thermique de ces moteurs est de plus en plus nécessaire. Cette tâche est difficile à cause de nombreux facteurs (dimensions et propriétés thermophysiques très différentes des constituants, phénomènes physiques compliqués) ; elle nécessite donc un outil de simulation capable d'appréhender, au mieux, ces différents facteurs avec un coût raisonnable. Dans ce projet de recherche, le but principal est d'étudier le processus d'échauffements thermiques en régime permanent dans les moteurs asynchrones à cage de moyenne puissance. Pour mener cette étude, l'analyse par la méthode des éléments finis a été adoptée en utilisant le logiciel Flux2D, associé à des phases expérimentales. IV De par la connaissance de la problématique thermique dans la machine asynchrone, une nouvelle approche pour la distribution spatiale de pertes de puissance est formulée. Les modes de transfert de chaleur dans la machine asynchrone ont été examinés en profondeur, menant à des valeurs de paramètres (conductivités) et à des conditions aux limites thermiques bien justifiées. Ainsi, en combinant l'observation, le jugement, la simulation et l'expérimentation, un modèle mathématique de répartition de sources de chaleur et un modèle thermique de la machine asynchrone sont élaborés par la méthode des éléments finis, et validés par des essais expérimentaux. On a appliqué cette méthode pour élaborer un modèle thermique d'un moteur asynchrone à cage (de type TEFC de 50 hp). L'évaluation de la distribution de température, pour des fonctionnements vérifiables expérimentalement, a montré la conformité et l'efficacité du modèle. L'écart moyen de température obtenu entre les mesures et la simulation est largement en dessous de 10%. La méthodologie développée peut servir à l'étude de toute autre machine électrique (transformateurs, machines synchrones, asynchrones et à courant continu). v Table des matières Remerciements Résumé IV Table des matières VI Liste des symboles Xl Liste des tableaux XIV Liste des figures XVI Chap.1 Introduction générale 1 1.1 Introduction 1 1.2 Problématique 5 1.2.1 Pertes dans les machines électriques tournantes 7 1.2.1.1 Présentation des pertes de puissance 7 1.2.1.2 Détermination des pertes 9 1.2.1.3 Synthèse 13 1.2.2 Modèles thermiques des moteurs asynchrones 15 1.2.2.1 Transfert de chaleur dans un moteur électrique 1.2.2.2 Modèles thermiques existants des moteurs asynchrones 1.2.2.2.1 Méthodes nodales 1.2.2.2.2 Méthodes des éléments finis VI 15 17 19 24 1.3 Les logiciels d'analyses par éléments finis 1.4 Récapitulation 1.5 Objectifs 1.6 Méthodologie 1.7 Infrastructure de recherche 1.8 Conclusion Chap.2 Modèles de répartition spatiale des sources de chaleur pour le 26 29 31 32 35 36 modèle thermique d'un moteur asynchrone à cage d'écureuil 37 2.1 Introduction 37 2.2 Détermination des pertes dans un moteur asynchrone à cage avec Flux2D 2.2.1 Les pertes dans les circuits magnétiques 2.2.2 Les pertes mécaniques 2.2.3 Pertes par effet Joule dans les enroulements statoriques 2.2.4 Pertes par effet Joule dans les enroulements 38 38 39 40 rotoriques 40 2.2.5 Pertes supplémentaires 41 2.3 Méthodes de détermination expérimentales des pertes 42 2.3.1 Évaluation par la méthode thermométrique 42 2.3.2 Évaluation par la méthode de séparation des pertes 44 2.4 Présentation du banc d'essai et du moteur 45 2.5 Proposition d'approche de répartition spatiale des pertes dans un moteur asynchrone 50 2.5.1 Introduction 50 2.5.2 Simulation en magnétodynamique avec Flux2D 51 VIl 2.5.2.1 Démarche 2.5.2.2 Résultats et discussion 2.5.3 Démarche proposée 2.5.3.1 L'essai à vide 2.5.3.2 Localisation des pertes dans les enroulements statoriques du moteur 2.5.3.3 Localisation des pertes dans la cage 51 54 59 60 61 rotorique du moteur 61 2.5.3.4 Localisation des pertes fer du moteur 63 2.5.3.5 Localisation des pertes supplémentaires 63 2.5.4 Disposition des thermocouples et vérification d'attribution des pertes 64 2.5.5 Élaboration des profils de distribution spatiale des pertes 74 2.5.5.1 Profil de distribution des pertes dans 75 l'encoche 2.5.5.2 Profil de distribution spatiale des pertes dans les barres rotoriques du moteur 2.5.5.3 Profil de distribution spatiale dans le fer statorique 2.5.5.4 Profil de distribution spatiale dans le fer rotorique 2.5.6 Récapitulation 2.6 Calage des profils 2.7 Recommandations 2.8 Conclusion Vlll uploads/Science et Technologie/ universite-du-quebec-trois-rivieres.pdf