On se propose de faire une étude succincte et approchée de la ...

Librement inspiré d'un sujet d'examen (BTS ET 86) et de docs techniques de la SNCF ... À l'époque, le seul choix possible était le moteur à courant continu.

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Sujet d’exercice sur MCC pour T STI génie électrotechnique

Étude de la motorisation d’un TGV Sud Est
Groupe secteur 71 physique appliquée

Remarque : Les données utilisées pour faire l’exercice ne sont pas toutes complètement exactes, mais extrêmement proches de la réalité
Librement inspiré d’un sujet d’examen (BTS ET 86) et de docs techniques de la SNCF

On se propose de faire une étude succincte et approchée de la motorisation du TGV SE (Sud Est – ancienne livrée orange du TGV). Ce train à grande vitesse est rentré en fonction au début des années 1980. Sa conception commence à dater, et aujourd’hui, les choix technologiques de l’époque ne sont plus d’actualité. En effet, l’évolution des composants de l’électronique de puissance permettent maintenant de concevoir des convertisseurs statiques de forte puissance, à commutation forcée, bien plus facilement, et de pouvoir utiliser maintenant des machines à courant alternatif.

À l’époque, le seul choix possible était le moteur à courant continu.

Question d’introduction :
Quel est le principal défaut d’un moteur à courant continu, par rapport aux moteurs à courant alternatif ?

En plus de ce souci, et à titre indicatif, le rapport poids/puissance entre les 2 premières générations de TGV (SE et A) a doublé grâce à l’adoption du moteur synchrone autopiloté. En effet, la masse totale du moteur et de l’électronique associée est de l’ordre de 1560 kg pour environ 535 kW, en ce qui concerne le TGV SE contre 1590 kg pour 1100 kW développés par un moteur du TGV A.

Une rame de TGV SE pèse 418 t, et les premières versions étaient prévues pour un usage commercial à 240 km/h (poussé à 270 km/h lors de la dernière rénovation de ses trains – livrée bleue). Chaque rame comporte 12 moteurs de 537 kW (2 motrices, comportant chacune 2 boggies de 2 essieux moteurs, et les 2 boggies de l’extrémité de la rame), soit une puissance totale un peu supérieure à 6,4 MW.



Elle peut être alimentée, soit en 1500 V continu (ancien réseau) soit en 25 kV, 50Hz (LGV) et éventuellement certaines rames doivent pouvoir circuler en Suisse en 15 kV, 16,7 Hz.

Les caractéristiques nominales de chaque moteur sont :

Pun = 537 kW In = 530 A Cun = 1850Nm
Pjn = 11 kW pertes collectives = 30 kW Cpertes = 105 Nm


Au démarrage, chaque moteur doit pouvoir fournir plus de 4000 Nm, pour permettre aux 418 t du TGV de s’élancer. Sachant que le couple est proportionnel au flux et au courant I dans l’induit ( EMBED Equation.3 ), quel est le couplage le plus approprié (série ou shunt) pour permettre le démarrage en limitant au maximum le courant (si l’excitation est parallèle, le flux va rester constant et si l’excitation est série, le flux va être proportionnel au courant  EMBED Equation.3  et donc on aura  EMBED Equation.3 ) ?
Rédiger clairement votre réponse avec le maximum d’explications.


Le moteur est un moteur série, dont le schéma équivalent est donné ci-après.
L’inducteur, représenté par sa résistance Re est shunté par une résistance Rs . 86% du courant de l’induit passe par l’inducteur (contre 14% par la résistance Rs).
L’induit est représenté par sa résistance R et le f.e.m. E.

 SHAPE \* MERGEFORMAT 

Étude de la machine au conditions nominales :

Calculer la puissance électromagnétique (Pemn) au nominal.
Calculer le couple électromagnétique (Cemn) au nominal.
Calculer la vitesse angulaire (().
En déduire la vitesse de rotation (n) en tr/min.


On donne ci-après, la caractéristique de la tension à vide (E) du moteur à courant continu, à une vitesse de rotation de 1500tr/min, en fonction du courant dans l’inducteur :



Le courant nominal étant de 530 A, calculer le courant circulant dans l’inducteur (on rappelle que seul 86% du courant circulant dans l’induit passe dans l’inducteur).
D’après la courbe ci-dessus, quelle serait alors la valeur de la fem, si le moteur tournait à 1500 tr/min ?
En reprenant le résultat de la question 4, quelle est la valeur, En, de la fem aux conditions nominales ?

Pour la suite du problème, on prendra En = 1070 V.

Calculer la valeur de la résistance Rt (équivalente aux trois résistances Re, Rs et R).
En utilisant les résultats des 2 questions précédentes, et en établissant une loi des mailles, calculer la tension d’alimentation de la machine.
Calculer la puissance électrique absorbée.
Calculer la puissance mécanique fournie.
En déduire le rendement des moteurs, aux conditions nominales.
Présenter, sous forme d’un arbre d’écoulement des puissances, le bilan de puissance de la machine.
Si on limite le courant à 1000 A dans le moteur, sous quelle la tension faudrait-il alimenter le moteur au démarrage du TGV ?


Correction

Pemn = Pun + Pertes collectives = 567 kW
Cemn = Cun + C pertes = 1955 Nm
&!n = Pemn / Cemn = 290 rd/s
nn = 2 770 tr/min
Ie = 0,86.I =456A
E0 = 515V (courbe)
En = 951 V
Rt = Pjn / In2 = 39,2 m&!
Un = En + Rt.In = 1090V
Pabsn = Un.In = 578 kW
Pun = Cun.&!n =537 kW
( = Pun/Pabsn = 0,93 ou 93%

 EMBED MSDraw.1.01  Ud = Rt.Id = 39V (hnŒ—˜œj ö  j
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0.14 I

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