Spécialisation en Machines Électriques - Certificat IFP Training

Programme

• SEMAINE 1 - SYNTHESE DES FONDAMENTAUX D’ELECTROTECHNIQUE ET OUTILS ASSOCIES

  • Utilisation du matériel de mesure : prise en main des oscilloscopes, des générateurs de signaux, des alimentations de laboratoire, des sondes différentielles de tension et des pinces de courant.
  • Propriétés des mesures : Principes physiques – Incertitude – Précision – Référentiel des mesures dans le sens direct. Mesures des impédances, des courant et tensions efficaces et instantanées – Appropriation des outils de calculs et de simulation en électrotechnique – Simulations et calculs magnétiques, électriques et électromagnétique. Modèles statiques et dynamiques en électrotechnique – Simulation et expérimentation de circuits électriques, électroniques et magnétiques – Notions et calcul des mutuelles inductances dans une machines électrique – Conception de montages expérimentaux : circuits électrique et transformateurs – Fondamentaux de l’électromagnétisme par l’expérience - Mesures des puissances actives et réactives – Traitement du signal appliqué aux mesures : transformées de Fourrier et transformées de Laplace – Mesures utilisant le traitement du signal.
  • Mise à niveau mathématiques : nombres complexes, calculs vectoriels, propriétés essentielles en trigonométrie. Application de ces propriétés à l’analyse de circuits électriques – Équations différentielles du premier et du second degré appliqués aux circuits électriques – Circuits RL, RC et RLC en régime permanent et en mode transitoire – Notions de fonctions de transfert – Transformées de Laplace – Application de la transformée de Laplace à la résolution des équations différentielles – Calculs algébriques : manipulation de vecteurs et de matrices – Application à l’étude de circuits magnétiques – Assimilation des connaissances par l’expérience et les travaux dirigés.
  • Conception d’une machine synchrone en exercice d’application des fondamentaux électromagnétiques.

• SEMAINES 2 ET 3 - MACHINES ELECTRIQUES : APPROCHE EXPERIMENTALE ET PHYSIQUE DU FONCTIONNEMENT DES MACHINES ELECTRIQUES

  • Étude comparative et fonctionnelle des bobinages des machines synchrones à pôles lisses, des machines synchrones à pôles saillants et des machines asynchrone à cage – Étude du flux magnétique développé par un stator de machine à courant alternatif – Origine du couple des machines à induction (asynchrone) – Répartition instantanée des courants des machines asynchrones triphasées alimentées par une source de tension – Synthèse des propriétés fondamentales et vérification expérimentales des propriétés des bobinages, des courants et des flux – Concepts de base dans la plage de fonctionnement nominale d’une machine asynchrone.
  • Expériences et travaux dirigés sur les machines asynchrones – Circuit équivalent d’une machine à induction et interprétation physique – Diagramme du cercle d’une machine asynchrone et identification des paramètres de la machine – Définition du vecteur spatial du flux. Définition du vecteur spatial des courants dans les bobinages du stator – Mesure du vecteur courant du stator – Représentation d’un vecteur spatial dans un référentiel tournant – Obtention du modèle dynamique d’une machine à induction. Illustration des performances du modèle dynamique d’une machine à induction.
  • Principes fondamentaux de la commande vectorielle d'une machine asynchrone – Fonctionnement de la commande vectorielle directe d’une machine synchrone – Fonctionnement de la commande vectorielle directe d’une machine asynchrone – Exemple du contrôle vectoriel dans un entrainement industriel à moteur asynchrone – Compensation de la chute de tension dans la résistance interne des bobinages du stator du moteur asynchrone ?
  • Flux dans les machines synchrones à pôles lisses – Flux associé au courant d’excitation du bobinage du rotor d’une machine synchrone – Flux dans une machine synchrone à pôles saillants – Lien avec le courant d’excitation du bobinage du rotor – Interaction entre les courants du stator et du rotor – Origine du couple dans les machines synchrones à pôles saillants – Prise en compte de la saturation du circuit magnétique et des Inductances de fuite – Schéma équivalent de la machine synchrone – Identification des paramètres – Comment déterminer les éléments du schéma équivalent de la machine synchrone – Modèle de Park des machines synchrones.
  • Travaux dirigés exploitant l’ensemble des connaissances du cours : Conception d’outils de calculs et de modélisation qui seront utiles pour l’identification des paramètres et le dimensionnement des machines électriques.

• SEMAINES 4 ET 5 - MACHINES ELECTRIQUES : THEORIE, FONDAMENTAUX, FONCTIONNEMENT, TECHNOLOGIES ET MODELISATION DES MACHINES ELECTRIQUES (ETECH1)

  • Systèmes triphasés : Définitions et représentations – Connections étoile et triangle – Tensions simples et composées – Connexions des charges – Théorème de Kennelly – Expressions et propriétés des puissances actives et réactives – Circuit étoile équivalent.
  • Conversion électromagnétique : Champ créé par un bobinage triphasé – Bobinage triphasé et Courants Triphasés Équilibrés – Travaux dirigés et travaux pratiques.
  • Modélisation du bobinage triphasé : Champ tournant – Transformation de Park – Fondamentaux électromagnétiques – Bilan énergétique – Énergie magnétique – Co‐énergie magnétique – Calcul du couple mécanique – Aimants permanents – Tenseur de Maxwell – Travaux dirigés et travaux pratiques.
  • Machines à courant continu : Principe de fonctionnement – Modes d’excitation – Caractéristiques mécaniques – Transmittances – Structures de régulation – Réalisations technologiques – Travaux dirigés et travaux pratiques.
  • Machines Synchrones : Présentation et principe – Modélisation générale – Expressions du couple – Régime permanent – Régime transitoire – Fonctionnement sur réseau fixe – Alimentation par onduleur de tension – Travaux dirigés et travaux pratiques.
  • Machines asynchrones : Introduction – Constitution – Principe de fonctionnement – Modélisation – Schéma équivalent en régime permanent – Commande – Variation de vitesse – Travaux dirigés et travaux pratiques.
  • Machines Brushless : Présentation et Principe - Modélisation générale Moteurs à fem trapézoïdale -Moteurs à fem sinusoïdale – Comparaison tension – Travaux dirigés et travaux pratiques.
  • Machines à réluctance variable : Introduction – Structure – Principe de fonctionnement – Exemple – Alimentation électronique – Bilan.
  • Bobinage des machines électriques : Force Magnéto Motrice – Définitions Force Magnéto Motrice – Influence du nombre de pôles Force Magnéto Motrice – Bobinage triphasé FMM – Bobinage à répartition sinusoïdale – Flux et inductances – Champ du bobinage triphasé sinusoïdal – Travaux pratiques.

• SEMAINE 6 - CONCEPTION DES MACHINES ELECTRIQUES (ETECH2)

  • Thermique des machines électriques : Théorie des modes de refroidissement (conduction, convection, rayonnement) – Application dans les machines (exemples de refroidissement de machines électriques, cas d’amélioration de convection forcée) – Modélisation simple – FEA thermique, exemple d’un cas sous f.e.m.m. – Application au design des machines électriques – Conclusions.
  • Intégration des machines électriques : Usage et architecture dans les véhicules – Implantation des machines électriques dans les véhicules (contraintes et topologies des machines) – Implantation des électroniques (contraintes mécano thermique et intégration) – Perspectives d’optimisation de l’intégration (ISCAD et étude d’une machine asynchrone et de son électronique) – Nouvelles topologies – Conclusions.
  • Calculs électromagnétiques : Historique des voitures électriques entre 1990 et 2000 – Les différents types de machines électriques – Les notions théoriques pour aborder les calculs de machines synchrones (lois physiques : Oersted, Ampère, Faraday, Maxwell) – Généralisation (théorème de Ferrari) – Évaluation des dimensions d’une machine (analyse du besoin, choix de la topologie, équations de dimensionnement) – Méthode de calcul avec logiciel de FEA (paramétrage des simulations, simulations à réaliser) – Application au design électromagnétique d’une machine.
  • Bobinage des machines électriques : Diversité des topologies machines – Bobinage et conception (composants pour le bobinage et éléments de relation produit/process) – Les procédés de bobinage (process prototype et petite série, process grande série) – Les procédés de finition (connexion, ficelage, conformage, imprégnation, testing) – Application au bobinage d’une machine.
  • Process des machines électriques : Les circuits magnétiques (catégories, caractéristiques et process) – Les aimants permanents (types d’aimants automobile et sélection) – Exemples d’intégration – Quelques exemples de machines – Conclusions.
  • L’approche système et contraintes connexes : La C.E.M – Le Process – La vibro‐accoustique – Types d’aimants automobile – Safety – Recyclage et environnement – Conception et process : exemple d’évolution de motorisation – L’approche globale (ou système) – Conclusion.
  • Conception d’une machine électrique : Conception d’une machine synchrone à aimant permanent – Dimensionnement thermique, magnétique et mécanique.
  • Mini Projet de conception de machine électrique : Conception d’une machine synchrone à aimants permananents.

• SEMAINE 7 - ONDULEURS ET INTERACTIONS AVEC LES MACHINES ELECTRIQUES

  • Fondamentaux de l’électronique de puissance appliqués à l’onduleur : Cadre de l’électronique de puissance – Rôle d’un convertisseur, applications, fonctionnalités essentielles – Cellule élémentaire de commutation – Sa construction pas à pas : intérêt du découpage, du filtrage, de la diode de roue libre, des filtres d’entrée et de sortie, imperfections prévisibles – Choix de la fréquence de découpage – Incidence de la fréquence sur la compacité des filtres et sur le rendement des convertisseurs, caractéristiques des composants modernes et fréquences envisageables – Réversibilité des convertisseurs et introduction à l’onduleur – Définition, cellule de commutation réversible en courant, logique de commande des transistors, temps mort – Réversibilité en courant et en tension, une application : l’onduleur monophasé – Onduleur triphasé Structure, MLI intersective et calculée, incidence sur les contenus harmoniques – Snubbers, commutation douce – Drivers, isolement des commandes – Travaux pratiques en laboratoire : mise en application des concepts développés au cours de la journée de formation.
  • Technologies des onduleurs automobiles : Topologies des onduleurs pour la commande des machines à courant alternatif : onduleur et redresseur – Analyse du CDC des applications automobiles Fonctionnement des onduleurs et fonctionnement des composants d’électronique de puissance à partir leurs caractéristiques réelles dans une topologie d’onduleur de tension – Circuits de puissance : prise en compte des pertes par conduction et par commutation des électroniques de puissance, performance du circuit – Circuits de protection, modes refuges, snubbers, optimisation de la commande bas niveau – Prise en compte de la compatibilité électromagnétique dans le dimensionnement – Caractéristiques des inductances, capacités, vieillissement des composants – Problématiques CEM associées à ces composants – Impact des composants passifs sur la performance des onduleurs – Cas pratiques – Prise en compte de la commande – Technologies, fonctionnement, caractéristiques de puissance, contraintes d’implantation, aspects thermiques et vibratoires, objectifs de durabilité, process de fabrication, aspects industriel et économique – Benchmark des différentes solutions utilisées dans le monde industriel et automobile.
  • Module de puissance des onduleurs : Notions fondamentales sur les composants à base de semi-conducteur – Physique de fonctionnement des diodes, transistors bipolaires, MOSFET et IGBT – Influence du semi-conducteur sur la performance du composant : Si, CSi, NiGa – Mécanismes des commutations – Technologies adaptées – Interaction entre diode, transistor et éléments parasites du circuit de commutation – Travaux pratiques sur les modules de puissance et les onduleurs sur banc de machines électriques mettant en application les principaux concepts de la journée de cours.
  • Cahier des charges fonctionnel d’un onduleur : Cycle de développement d’un onduleur : de la définition des besoins fonctionnels à la validation de ces besoins – Définition des exigences fonctionnelles, dysfonctionnelles et des fonctions de contraintes d'un onduleur – Fonctions de services – Paramètres-clés conditionnant la performance de l’onduleur – Fonctions de contraintes et paramètres-clés – Architectures des onduleurs de tension – Topologies en état de l’art des onduleurs utilisés en automobile – Validation des besoins fonctionnels et dysfonctionnels d'un onduleur – Exemples de tests (les principaux tests) pour valider les besoins fonctionnels et dysfonctionnel – Tests sur bancs, différents types de bancs, matériel nécessaire – Test sur véhicule.
  • Commande des onduleurs : Influence de la commande sur la performance de l’onduleur et son dimensionnement – Notion système – Principe de la commutation – Modulation de largeur d’impulsion – Place de la commutation dans une boucle de régulation – Les principes de commande des machines à courants alternatifs par la méthode des flux orientés – Contrôle du couple – Contrôles des courants – Utilisation des équations de Park dans la commande – Pilotage du fondamental de tension de l’onduleur en amplitude, tension et fréquence afin de contrôler le couple de l’entrainement électrique – Temps mort et son impact – Stratégies de commutation MLI des onduleurs : MLI intersective (SPWM) , MLI discontinue (FTB), Commande Vectorielle (SVM), MLI symétrique asymétrique et synchrone, Gestion des harmoniques – Pilotage du courant, étude de stabilité et de performance d’une régulation de courant dans un onduleur – Mise au point du régulateur PI et régulation optimale – Pilotage du courant, étude de stabilité et de performance d’une régulation de courant dans un onduleur – Mise au point du régulateur PI et régulation optimale – Optimisation de la commande : choix des fréquences de découpage, réduction des harmoniques de courant, réduction des pertes par commutation et par conduction des transistors – Optimisation énergétique de la commande des entrainements électriques – Techniques sélective d’élimination des harmoniques – Contrôle du contenu harmonique des tensions et des courants – Impact sur le comportement énergétique de l’entrainement électrique et aspects NVH – Cas pratiques : Modélisation et simulation des commandes haut niveau appliquées à la régulation en couple d’une machine synchrone – Intégration d’une commande avec son modèle associé dans un environnement de simulation Analyse du contenu harmonique des courants et des tensions.
  • CEM des onduleurs : Liens entre les circuits d’électronique de puissance de l’onduleur et de la machine électriques connectée et la CEM : origines des émissions conduites et rayonnées – Effet des perturbations électromagnétiques – Normes devant être respectées par les onduleurs automobiles – Technologies de la CEM : filtrage, blindage et routage : fonctionnement, contraintes d’implantation, aspects thermiques et vibratoires, process de fabrication, aspects industriel et économique, exemples d’application sur véhicule – Introduction aux couplages, les six couplages électromagnétiques, mode différentiel et mode commun, couplage par impédance commune, couplage capacitif carte à châssis, couplage par diaphonie inductive, couplage par diaphonie capacitive, couplage champ à fil, couplage champ à boucle.
  • Les sources de perturbations, perturbations à basses fréquences, perturbations à hautes fréquences, circuits numériques, évaluation désordres de grandeur, perturbation des oscillateurs, conversions d’unités – Travaux dirigés : modélisation et simulation des perturbations conduites des onduleurs – Travaux pratiques : mesures des perturbations conduites en laboratoire sur un système constitués d’un onduleur et d’une machine à courant alternatif qui lui est connectée.
  • Interaction machine électrique et onduleur : Approche systémique du dimensionnement d’un onduleur – Prise en compte des contraintes batteries, des machine électriques et de leur commande dans la définition technique de l’onduleur et le dimensionnement de ce dernier – Traduction et déclinaison du Cahier Des Charges du GMP sur le périmètre de l’onduleur – Modélisation De l’onduleur et de son environnement – Exploitation des modèles pour identifier les situations de vie dimensionnantes – Déclinaison sur le périmètre de l’onduleur – Analyse des points de dimensionnement de l’onduleur, déclinaison sur le dimensionnement des composants de puissance, déclinaison pour conception du filtre d’entrée de l’onduleur.

• SEMAINE 8 - CONTROLES DES MACHINES ELECTRIQUES

  • Fondamentaux de l’automatique : Commande boucle ouverte et boucle fermée – Propriétés des régulateurs PID – Fonctions de transferts – Notions de stabilité – Modélisation et simulation des régulations.
  • Commande des machines à courant continu : Commande en couple, en vitesse et en position – Etudes des fonctions de transfert – Critères de stabilité – Approche universelle de la régulation des machines électriques – Travaux dirigés.
  • Commande des machines asynchrones : Commande en boucles ouverte et en boucle fermée – Commande scalaire et commande vectorielle – Optimisation de la commande – Estimateurs et observateurs de flux – Commande sans capteurs de position – Travaux dirigés.
  • Commande des machines synchrones à rotor bobiné : Commande en boucles ouverte et en boucle fermée – Commande scalaire et commande vectorielle – Optimisation de la commande – Estimateurs et observateurs de flux – Commande sans capteurs de position – Travaux dirigés.
  • Commande des machines synchrones à aimants permanents : Commande en boucles ouverte et en boucle fermée – Commande scalaire et commande vectorielle – Optimisation de la commande – Estimateurs et observateurs de flux – Commande sans capteurs de position – Travaux dirigés et travaux pratiques.
  • Capteurs de position : Fonctionnement et technologies.
  • Études de cas avancés de design électromagnétiques avec JMAG