PROJET DE FIN D ETUDE. Auteur : SZOPINSKI GEOFFRAY Promotion : GE 2012

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1 PROJET DE FIN D ETUDE Auteur : SZOPINSKI GEOFFRAY Promotion : GE 2012 Titre : Bilan de performance des magnétiques utilisés pour la coupure des courants de courts circuits Soutenance : 21/09/2012 Entreprise : HAGER SAS Nb de volume(s) : 1 Nb de pages : 63 Résumé : Dans le cadre de la formation d ingénieur en génie électrique à l INSA de Strasbourg, j ai effectué mon projet de fin d étude dans l entreprise HAGER SAS à Obernai. Cette Société conçoit, produit et vend des appareils de protection contre les risques électriques. Mon projet principal était la modélisation et l analyse des performances des sous-ensembles magnétiques des disjoncteurs Hager et concurrents. Pour ce faire, j ai utilisé des logiciels de calculs par éléments finis et de calculs analytiques, ainsi que des équipements de mesures. Une autre partie de mon stage fût consacrée à l amélioration du modèle de calcul (amélioration de la précision et du temps de calcul). Hager dispose désormais d une base de données des sous-ensembles magnétiques existants (en termes de géométrie et de performances), d une base de données de modèles des magnétiques existants et d un modèle de calcul générique précis et rapide. Mots clés : Modélisation, Magnétique, Programmation VBA et Grafcet. Abstract: In order to be graduated from my engineering school in electrical engineering, I performed my engineer internship in Hager SAS, Obernai, FRANCE. This company designs, makes and sells breakers. My main project during this internship was the modeling and the analysis of performances of magnetic subsets of Hager s and competitor s breakers in order to make a database. I have used two calculating softwares. The first uses finite elements calculations, the other uses analytic calculations. I also improve the analytical model. Now, Hager has a database of existing magnetic subsets (performances and 3D geometries) and a new model for calculating more accurate and faster. Key words: modeling, magnetic, VBA and Grafcet programming

2 Introduction : Hager recherche des produits de plus en plus performants en limitant les coûts. Les sous-ensembles magnétiques des disjoncteurs n échappent pas à la règle. Pour concevoir un produit performant, il est impératif de connaître les performances des produits existants, que ce soit les produits Hager mais également les produits concurrents. Certains produits Hager étant conçus depuis plusieurs années, la comparaison des performances magnétiques des sous-ensembles magnétiques via CAO n a jamais été réalisée, alors que leurs performances globales sont connues grâce aux séries d essais qu ils ont subis. Le sujet du PFE la comparaison des performances magnétiques et mécaniques des sous-ensembles magnétiques des différents disjoncteurs Hager calculé via deux logiciels de calcul. Les résultats attendus sont des modèles 3D des sous-ensembles magnétiques existants ainsi qu une base de données des performances de ces premiers. Les données obtenues serviront à constituer, pour les équipes projets, une base de résultat des produits déjà fabriqués, pouvant servir de base à la réalisation de projets futurs. Prés requis : Le disjoncteur est composé de 4 sous-ensembles (Erreur! Source du renvoi introuvable.) : Figure 1. Sous-ensembles d un disjoncteur Le sous ensemble magnétique permet l ouverture du circuit électrique en cas de court-circuit. Il permet de: Détecter un court-circuit. Ouvrir la serrure disjoncteur. Arracher le contact mobile. L ouverture du circuit électrique en cas de court-circuit se fait via la serrure du disjoncteur et la chambre de coupure.

3 Ce sous ensemble a comme paramètre d entrée le courant traversant le disjoncteur et comme paramètre de sortie une force mécanique F, un déplacement X et une vitesse V du noyau mobile (Erreur! Source du renvoi introuvable.). Il permet la transformation d une énergie électrique en une énergie mécanique. Cette transformation se fait via une énergie magnétique. Figure 2. Eléments composant un magnétique Le courant entrant dans le disjoncteur passera dans la bobine, générant un champ magnétique dans le circuit magnétique, qui aura pour effet de créer une force magnétique sur le noyau mobile. Si la valeur du courant I est assez élevée, cette force F aura pour effet de déplacer le percuteur d une certaine course x, et permettra l ouverture du circuit électrique via la serrure disjoncteur. La force et la vitesse de déplacement dépendent bien entendu de la valeur du courant. Travail effectué : L objectif du stage est la réalisation d une base de données des performances des sous-ensembles magnétiques existants. Nous avons donc besoin de calculer : Les performances des circuits magnétiques des disjoncteurs Hager et disjoncteurs concurrents avec des bobines identiques. Cela nous permettra la visualisation de l effet du circuit magnétique sur les performances du système. Les performances réelles produits des mêmes magnétiques avec les bobines propres à la gamme C16A de chaque produit afin comparer les performances réelles de ceux-ci; Pour chaque magnétique, 2 séries de calculs sont à prévoir avec la même méthode utilisant 2 logiciels, Flux 3D et Portunus. Figure 3. Méthode de calcul Le logiciel Flux3D prendra en entrée la géométrie des magnétiques à tester. Les géométries en trois dimensions des produits Hager sont connues et déjà réalisées via des logiciels de CAO comme Pro/Engineer tandis que les géométries seront à créer pour les produits concurrents. Ses variables seront la longueur de l'entrefer du circuit magnétique, et le courant traversant la bobine. Le résultat est un

4 tableau 3D donnant la Force magnétique exercée sur le noyau mobile pour chaque valeur d'entrefer et de courant prédéfinis dans le scénario. Ces données sont récupérées en régime établi. L étude en régime dynamique se fera sur le logiciel Portunus. Ce dernier prendra en entrée les résultats statiques obtenus sur Flux3D, et, a pour variables le courant traversant la bobine (simulant un courtcircuit) ainsi que les forces dues à la raideur du ressort et celles à appliquer à la serrure disjoncteur, pour ouvrir le contact mobile. Ceci nous permet d obtenir les valeurs des paramètres souhaités pour différents courants de court-circuit. Ce travail a été effectué pour 25 sous-ensembles. Figure 4. Géométrie Flux3D Les résultats validés sont stockés dans une base de données Excel. Dans ce fichier on retrouve également un classement des sous-ensembles magnétiques suivant leurs géométries et leurs performances. Cette étude a mis en évidence l existence de 3 types de géométries récurrentes chez les principaux constructeurs (Les géométries classiques, Les géométries économiques, Les géométries peu encombrantes) répondant aux diverses attentes du marché et normes des pays. Elle a permis d identifier certaines idées à mettre en œuvre dans de futurs projets. Enfin elle a permis de situer Hager parmi ses concurrents dans le développement de la technologie des sous ensemble magnétiques. De plus, une partie de mon stage a donc été consacrée à l amélioration du modèle de calcul analytique Portunus. Un bloc grafcet codé en VHDL a été implémenté et permet désormais de prendre en compte les collisions dans le calcul. Suite à ces changements, la précision des calculs à augmenter d environ 5%. D autres améliorations ont été apportées dans la continuité comme une baisse significative du temps de résolution des calculs, passant de 5 minutes à 30 secondes environ et de nouveaux paramètres vont être suivis comme la vitesse aux moments du contact avec le contact mobile et avec le contact fixe. Conclusion : Lors de mon arrivé à Hager, le projet qui m a été attribué comportait 3 enjeux : La réalisation d une base de données de géométries 3D Analyse des différentes géométries des sous ensemble magnétiques des disjoncteurs Analyses des performances des différents sous-ensembles suivant la géométrie. Le modèle permettant les calculs des différents paramètres existait mais comportait des erreurs. Désormais, les différentes géométries d actionneurs sont réalisées, une base de données Excel regroupe les résultats de tous les calculs ayant été réalisé. Ce fichier est un état de l art des sous-ensembles magnétiques. Chaque nouveau développement de disjoncteur HAGER passera par la consultation de cette base afin de rechercher des idées pour un nouveau sous ensemble magnétique et/ou le magnétique répondant au besoin du produit. Une base de données des modèles magnétiques HAGER et concurrents est utilisable pour la résolution de problèmes sur les produits HAGER ou par l amélioration des magnétiques. Une nouvelle version du modèle Portunus a été mise en place, corrigeant les erreurs liées aux chocs, plus rapide, permettant de calculer de nouveaux paramètres utiles à la compréhension de la coupure de l arc électrique. Enfin ce stage a permis de trouver quelques voies d amélioration de sous ensemble chez certains concurrents, comme le système de noyau fixe/culasse pour les sous-ensembles économiques.

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