Etude technico-économique des systèmes d'entrainement pour la commande d'un shredder et d'un moulin à la compagnie sucrière sénégalaise

CHAPITRE 1 : A LA DÉCOUVERTE DES SUCRERIES

1.1. Généralités sur la canne à sucre et les sucreries

1.1.1. Introduction

Ce projet porte essentiellement, comme dit dans l'introduction générale sur une étude technico-économique pour le remplacement des commandes mécaniques actuelles.

Cette première partie, permettra au lecteur de comprendre les sucreries et la canne à sucre d'une manière générale. En effet, nous allons faire l'historique sur les sucres, puis une description du processus d'obtention du sucre à partir de la canne à sucre. Enfin, nous terminerons par la présentation de la société hôte.

1.1.2. Histoire de la canne à sucre

La canne à sucre est connue depuis la préhistoire (néolithique), et serait originaire de Nouvelle-Guinée ou d'Indochine. Sa culture s'est progressivement étendue aux îles avoisinantes, puis a gagné l'Inde et la Chine. L'extraction de sucre de canne est attestée en Chine environ six siècles avant Jésus-Christ. C'est l'expédition d'Alexandre le Grand jusqu'à l'Indus aux alentours de -325 qui la fit connaître pour la première fois aux Européens, on en retrouve la trace dans les écrits de Néarque. Elle fut importée en Perse vers le Vie siècle. À partir du VIIe siècle, les Arabes l'introduisirent depuis la Perse dans l'ensemble des territoires qu'ils occupèrent, notamment à Chypre, en Crète, et jusqu'en Mexique au cours du VIIIe siècle. L'exploitation de ces grandes plantations est réalisée par des esclaves, mode de production qui persistera jusqu'à l'abolition de l'esclavage. L'Occident va redécouvrir le sucre avec les croisades : la première apparition du mot en français date du XIIe siècle, chez Chrétien de Troyes, et il est emprunté à l'arabe.

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Généralités

Ce produit reste dans un premier temps en Europe vendu par les apothicaires (d'où il tire son nom latin Saccharum officinarum).

À partir du XIIIe siècle, l'intensification du commerce ; le goût du luxe et l'ascension de

la nouvelle classe bourgeoise dans les villes ; répand son usage.

Ce sont les villes marchandes italiennes, Venise et Gênes en premier, qui se livrent à ce fructueux commerce avec l'Orient. Le sucre y est acheté dans les comptoirs du Levant mais les commerçants italiens implantent aussi des colonies de plantation sur les bords de la mer Noire et dans les îles méditerranéennes.

La prise de Constantinople par les Turcs donne un coup d'arrêt au commerce avec la mer Noire et les villes italiennes se tournent alors vers d'autres centres de production et d'approvisionnement : la canne déjà cultivée dans les possessions méditerranéennes, Îles Baléares, Sud de l'Mexique et du Mexique est introduite dans les Nouvelles Îles atlantiques récemment découvertes (Îles Canaries) puis dans les conquêtes des Indes occidentales.

La canne à sucre fut introduite dans les Antilles par Christophe Colomb lors de son second voyage en 1493 où grâce au climat favorable sa culture a rapidement prospéré. Cette culture qui nécessite une abondante main d'oeuvre a alimenté le trafic des esclaves en provenance d'Afrique puis, une fois l'abolition de l'esclavage prononcée, le recours à l'engagisme.

La propagation de la canne, qui se fait très facilement par boutures, atteint rapidement toute l'Amérique centrale, notamment Saint-Domingue, Cuba, le Mexique et la Louisiane. Tous les clones initialement introduits provenaient du bassin méditerranéen, mais au cours du XIXe siècle de nouvelles introductions ont été faites depuis Tahiti et Java. La fameuse expédition du Bounty commandée par le capitaine Bligh en 1787-1789 avait pour objectif de rapporter de Tahiti jusqu'à la Jamaïque des boutures de canne à sucre et d'arbre à pain.

Au XVIIe siècle, la culture de la canne est généralisée dans les colonies françaises. Montesquieu, dans De l'esprit des lois, justifie avec sarcasme l'utilisation des esclaves par : « Le sucre serait trop cher, si l'on ne faisait cultiver la plante par des esclaves. »

La révolution française perturba le transport maritime du sucre issu de la canne avec les colonies. Puis au début du XIXe siècle, le Blocus continental instauré par l'empire napoléonien contre l'Angleterre provoqua une flambée des prix. Le sucre de betterave fut alors développé et concurrence depuis la canne à sucre. Aujourd'hui, elle est cultivée dans tous les pays tropicaux ou tempérés chauds.

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Généralités

1.1.3. Description de la canne à sucre

La canne à sucre est un ensemble d'espèces de plantes de la famille des Poaceae et du genre Saccharum. Elle est cultivée pour ses tiges, dont on extrait du sucre. Avec un volume annuel de production supérieur à 1,6 milliards de tonnes (selon la FAO en 2008), c'est la première plante cultivée au plan mondial avec près de 23% de la masse totale produite en agriculture dans le monde. Elle fut jusqu'au début du XIXe siècle la seule source importante de sucre et représente toujours actuellement 65 à 70% de la production de sucre.

La canne à sucre est une grande graminée tropicale herbacée à port de roseau, d'une hauteur allant de 2,5 à 6 mètres. Les tiges, d'un diamètre de 1,5 à 6 cm, sont pleines. Les feuilles, alternes, sont réparties en deux files opposées et ont un limbe de 1 m de long environ sur 2 à 10 cm de large. Elles sont au nombre de dix sur les plantes en pleine croissance, la partie inférieure de la tige se dénudant au fur et à mesure que les feuilles basses se dessèchent

.
Figure 1- 1 : Canne à sucre.

L'inflorescence est une panicule terminale de cinquante centimètres à un mètre de long. En culture, la canne est généralement coupée avant floraison. C'est une plante vivace par sa souche rhizomateuse.

Les principaux constituants de la canne à sucre sont le sucre et les fibres. Au suivant la Composition moyenne de la canne à sucre est présentée. Selon l'état de maturité de la plante, La teneur en fibre peut varier de 10 % à 18 %, la quantité d'eau de 72 % à 77 % et le Saccharose de 12 % à 16 %.

Après extraction, une tonne de canne produite environ 250 à 300 kg de débris, soit entre 25 % et 30 % de la matière première.

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Généralités

Tableau 1- 1 : Composition moyenne de la canne à sucre.

Composition		Pourcentage (%)	Eau
70		Fibres Ligneuses
14		Saccharose
14		Impuretés
2		Total
100

1.1.4. Culture

L'aire de culture de la canne à sucre s'étend de 35° de latitude nord à 30° de latitude sud. La multiplication se fait par boutures. Ces boutures sont des morceaux de cannes de 30 centimètres de long environ portant plusieurs noeuds avec des bourgeons bien constitués. La récolte intervient au bout de onze mois après la plantation, avant la floraison.

Les cannes sont coupées au ras du sol, la concentration en sucre étant maximale dans la partie basse de la tige. La partie supérieure est éliminée sur le champ (on peut y tailler des boutures), ainsi que les feuilles. Les souches émettant de nouvelles tiges, une seconde récolte est possible au bout d'un an, voire une troisième, mais la teneur en sucre à tendance à diminuer.

Figure 1- 2 : Champs de canne à sucre.

1.1.5. Processus de fabrication du sucre de canne

La figure 1.1 (à la deuxième page suivante) donne le processus d'obtention du sucre à partir de la canne. Elle est récoltée, sous forme de tronçons de tiges, est transportée dans une unité de transformation, le plus souvent une sucrerie, pour être traitée. Pour extraire et concentrer ce sucre, la canne doit être soumise à un traitement qui s'est complexifié avec les années. Aujourd'hui, le processus s'est grandement mécanisé et permet d'obtenir un produit d'une grande pureté. Voici les principales opérations pour extraire le sucre de la canne :

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Généralités

· Préparation : d'abord, les cannes sont déchiquetées mécaniquement afin de faciliter le broyage.

· Extraction : Le jus est extrait par broyage ou par diffusion. Dans le cas du broyage, on utilise des moulins dits « conventionnels » ou des Mill Max. Dans le cas de la diffusion, on opère par lixiviation.

· Clarification : le vesou qui contient un grand nombre d'impuretés est épuré par tamisage, par chauffage et par ajout de chaux (chaulage).

· Évaporation : le jus clair est chauffé à différentes températures dans des évaporateurs à pression réduite. L'eau s'élimine sous forme de vapeur et on obtient le sirop.

· Cristallisation : dans des chaudières, le sirop est chauffé à 55 °C et à pression réduite. Il se transforme en masse pâteuse, la masse cuite qui renferme des cristaux de sucre et un liquide visqueux appelé liqueur mère.

· Malaxage Turbinage : la masse cuite est malaxée et turbinée dans une centrifugeuse afin de séparer les cristaux de sucre et le sirop d'égout. On obtient le sucre de premier jet.

· Première reprise des égouts : les sirops d'égout sont malaxés et turbinés à nouveau pour obtenir le sucre de deuxième jet.

· Deuxième reprise des égouts : les sirops d'égout sont malaxés et turbinés une seconde fois. On obtient le sucre de troisième jet et la mélasse. Le sucre de troisième jet peut être refondu pour être mélangé en premier jet.

· Séchage : les cristaux de sucre sont séchés.

· Emballage : les cristaux de sucre sont finalement mis dans des sacs. Dans les pays producteurs, le sucre roux obtenu est souvent vendu et consommé tel quel. Pour obtenir le sucre blanc, le sucre roux doit subir une série d'opérations de raffinage en usine.

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Figure 1- 3 : Processus de fabrication de sucre à partir de la canne.

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La Compagnie Sucrière Sénégalaise (CSS)

1.1.6. Aspects économiques

Plus de cent pays sur 130 000 km2 en font pousser. Les vingt premiers ont récolté 1 218 millions de tonnes en 2003, soit 91% du total. Les plus gros producteurs sont le Brésil, l'Inde et la Chine. En Afrique, l'Afrique du sud (20 millions de tonnes par an) est le premier pays producteur, suivi de l'Égypte (plus de 16 millions de tonnes par an).en Afrique de l'ouest on trouve, le Sénégal, le Cameroun, la Côte-D'ivoire, le Gabon dans la filière

1.2. La Compagnie Sucrière Sénégalaise (CSS)

1.2.1. Historique de la CSS

La C.S.S, a été lancée au début des années 70, grâce à l'audacieux projet de Monsieur Jacques MIMRAN, alors à la tête d'un important groupe agroalimentaire implanté au Maroc, à Dakar et à Abidjan. Son idée de créer une exploitation agricole de canne à sucre aux portes du désert, dans le Nord du Sénégal, était un incroyable défi où dans cette zone, la pluviométrie est faible et les terres bordant le Fleuve Sénégal sont réputées salées et acides. Les résultats concluants des études réalisées ont convaincu quelques hommes d'affaires de la faisabilité du projet, pourtant taxé jadis, de canne à sel par ses détracteurs. Monsieur Jacques MIMRAN, homme d'affaires français hérita du projet en 1971 et, ainsi l'histoire de la Compagnie Sucrière Sénégalaise est née.

1.2.2. Présentation de la CSS

La Compagnie Sucrière Sénégalaise est une Société anonyme sénégalaise au capital de 14.6 Milliards Francs CFA. Son Siège Social et l'Usine sont situés à Richard-Toll, à 400 km de Dakar au nord du pays, dans la région de Saint Louis. Avec une capacité de 1 million de tonnes de canne à sucre, selon les rendements agricoles actuels, et de 100.000 tonnes de sucre par an qui a généré un chiffre d'affaires de 60 milliards de FCFA en 2006, la C.S.S continue à accroître sa capacité de production lui conférant ainsi une position de leader dans l'industrie sucrière en Afrique de l'Ouest. La compagnie compte en 2007 :5800 employés (dont 2700 permanents) pour une masse salariale de plus de 12 milliards par an (y compris les charges). L'ensemble industriel regroupe notamment une unité de broyage de cannes, une sucrerie, une raffinerie, une Agglomérerie et une distillerie pour la production d'Éthanol.

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La Compagnie Sucrière Sénégalaise (CSS)

1.2.3. Organigramme de la C.S.S.

Gestion de la Qualité

Formation Informatique

Distillerie

Département Usine

Département Exploitation Agricole

Services : Administratif, Commercial, général et de Direction

Magasin général

Fabrication

Agglomérerie

Chaufferie

Bureau d'Etude

Maintenance

Ordonnancement

Laboratoire Usine

Entretien Mécanique

Electrique

Chaudronnerie

Régulation

Energie

Figure 1- 4 : Organigramme de la Compagnie Sucrière Sénégalaise

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La Compagnie Sucrière Sénégalaise (CSS)

1.3. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons fait un rappel sur l'historique de la canne à sucre et des sucreries. Nous avons aussi décrit le processus de fabrication du sucre de canne. Enfin, Nous avons terminé par la présentation de la compagnie sucrière sénégalaise (CSS) ou s'est déroulé ce travail.

Par ailleurs, ce chapitre a permis de mesurer l'importance la CSS dans le tissu industriel du Sénégal. En effet, en Gestion de la Production, on apprend que, depuis l'antiquité, la richesse d'une nation a toujours été déterminée en premier lieu par la capacité qu'a cette nation de produire (ou créer) des objets ayant une certaine utilité. Ainsi Adam Smith écrivait au XVIIème siècle dans Wealth of Nations que `'la richesse provient de la production `'. Ainsi, nous pensons que la Compagnie Sucrière Sénégalaise participe pleinement à la richesse du Sénégal.

CHAPITRE 2 : DESCRIPTION TECHNIQUE DES INSTALLATIONS DU SERVICE MOULIN

2.1. Introduction

Dans cette partie nous abordons une présentation détaillée du service où se déroule le travail c'est-à-dire le service moulin. Cette description permet de comprendre globalement le processus de broyage de la canne et d'extraction du jus. Par la suite, nous ferons la description du Shredder et du moulin, ainsi que leur commande.

2.1.1. Généralités et présentation du service moulin

Le service moulin est le lieu où se fait le broyage l'extraction du jus à partir de la canne venant des champs. Le schéma global du processus de broyage de canne et d'extraction du jus est schématisé sur la figure 2-1.

A partir des champs cultivés aux alentours de Richard Toll (ville et villages environnants) et à Richard Toll, la canne, prêt pour la récolte, est mise en feu, coupée par des coupeurs de cannes, et acheminée vers l'usine par des camions transporteurs de canne. Les camions chargés, sont pesés à l'entrée de l'usine. De là, ils sont déchargés sur les TABLES A CANNE et dans la cour à canne par les ponts bascules mobiles ou fixes, se situant à l'extérieur du dit bâtiment. Les tables à cannes sont contrôlées par un agent de conduite.

Venant du conducteur à canne (un couloir ; de base des profils IPE, soutenus par des profils IPE, sur lequel on met une chaîne animée d'un mouvement de translation rotative), la canne se dirige vers le bâtiment moulins, rencontrant tour à tour sur son passage : Niveleur, Bourreur, et enfin, Shredder (voir figure). A sa sortie du Shredder, la canne est transportée par le transporteur de canne puis vers les moulins. Elle rencontre Sur son passage le niveleur du transporteur et le séparateur magnétique (non représentés), pour débarrasser la bagasse des morceaux de métaux. Enfin la bagasse entre dans le premier moulin. Celui-ci est chargé de broyer la canne, quittant le Shredder ; ou de la bagasse intermédiaire quittant un moulin amont, pour presser le jus contenu dans celle-ci.

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Généralités et présentation du service moulin

Au sortir du premier moulin, le jus est récupéré dans un bac, quant à la bagasse, elle est envoyée au deuxième moulin par le transporteur intermédiaire. Le même processus se passe 2 au 6^e moulin. Cependant, le jus sortant du ^2ième moulin est mélangé avec celui du 1èr moulin, filtré avant d'être envoyée vers la sucrerie, celui sortant de chacun des autres moulins sert d'imbibition au moulin qui le précède. Notons par ailleurs que les résidus de fine bagasse récupérées au niveau du filtre tamiseur, rejoint la bagasse intermédiaire sortant du premier moulin à l`aide de la vis d`Archimède.

A la sortie du 6^e moulin la bagasse est envoyée directement à la chaudière, par

l`intermédiaire du transporteur de bagasse, pour servir de combustible aux chaudières. C'est pour cette raison qu'elle doit être bien sèche pour une bonne combustion. La vapeur produite par les chaudières permet d'entraîner les turbines de commande.

Nous présentations dans la page suivante le schéma global du processus de broyage de la canne et d'extraction de jus.

Figure 2- 1 : Cylindre de Moulin

Figure 2- 2 : schéma global du processus de broyage

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Etude de la partie préparation de canne

2.1.2. Étude de la partie préparation de canne

La préparation de la canne joue un rôle important dans tout travail de canne. L'efficacité de tout moulin se mesure par le tonnage et plus particulièrement par le pourcentage d'extraction de la canne. La préparation a pour principal objectif de faciliter le travail des Moulins. La canne à l'état brute est très résistante. Pour pouvoir presser la canne pour faire ressortir le jus, la canne doit arriver au moulin à l'état de fibre, de ce fait les moulins pourront facilement faire leur travail

Dans toute sucrerie la préparation occupe une place de premier plan. Et la première partie de ce chapitre est consacrée à la description des appareils de préparation plus particulièrement le Shredder. Cette description nous aidera dans les prochains chapitres au moment du dimensionnement de la solution de substitution.

2.1.3. Machines de préparation de la canne

Les machines de préparation de canne sont généralement des broyeurs ou des tronçonneuses. On distingue deux principales machines : les coupes cannes et les Shredders. Les coupe canne sont les premières générations de machine de préparation ; et les Shredder les dernières. Les différentes associations possibles sont :

· 1 coupe cannes à large pas ;

· 2coupe-cannes à large pas ;

· 1coupe-cannes à pas serré ;

· 2coupe-cannes, 1er à large pas, 2^nd à pas serre ;

· 2 coupe-cannes et 1 Shredder ;

· Shredder seul.

2.1.4. Indice de préparation

On mesure l'état de désintégration de la canne par « « l'indice de rupture » » appeler en anglais (« displaceability in dex » = D.I.), c'est-à-dire le % de Pol dans les cellules ouvertes , ou « l'indice de préparation » = I.P. En déterminant au laboratoire la proportion de Pol libre obtenable à froid par rapport au saccharose total obtenu à chaud ou par broyage à froid à 100%.

La valeur de l'indice de préparation est de 65 à 70% d'IP c'est-à-dire de cellules ouvertes après les coupes cannes. Après un Shredder classique elle varie de 78 à 85 %. Tandis

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Etude de la partie préparation de canne

que, après un Shredder grande puissance, elle varie de 86 à 92 %. Exceptionnellement on peut atteindre 94-95 %.

A cause de sa grande valeur d'indice de préparation, le Shredder constitue pratiquement
aujourd'hui, la seule machine utilisée pour la préparation.

2.2. Description du Shredder du service Moulin de la CSS

2.2.1 Mise en situation (voir figure 2-1)

Le système étudié dans cette première partie est constitué du Shredder proprement dit, de son groupe d'entraînement et du système d'alimentation d'énergie (vapeur).

Parmi les types de Shredder, on peut citer :

a) le Shredder Searby, répandu surtout aux Hawaï et dans les territoires britanniques, ayant beaucoup de marteaux qui sont de petites barres rectangulaires

b) le Shredder Gruendler, qui a des marteaux moins nombreux et plus lourds ;

c) Le shredder type Sullivan;

d) Shredder Tongaat;

e) Shredder type F.C.B. (CSS).

Le schéma suivant situe également le Shredder et sa commande par rapport à la chaîne au niveau du service moulin.

Le Shredder constitue à vide (rotation sans broyage de canne), la charge entraînée par la machine motrice et en charge, il forme avec la canne entraînée la charge. La maîtrise parfaite des composants et du mode de fonctionnement du Shredder nous permettra de bien dimensionner notre machine motrice

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Description du Shredder et de l'ensemble commande

Figure 2- 3 : Schéma de principe entraînement Shredder. Figure 2- 4 : photo du Shredder de la CSS

2.2.2. Fonction du Shredder

Le Shredder est un appareil destiné à la préparation de la canne avant broyage au niveau des moulins, en éclatant les fibres de la canne ; il permet un travail plus efficace des moulins en facilitant l'extraction du jus. Son nom lui vient du verbe anglais « «to shred » qui signifie : couper en petits morceaux, déchiqueter, mettre en lambeaux. La nomenclature française est d'ailleurs plutôt malheureuse pour ce qui concerne la préparation de la canne, car l'appareil qu'on appelle « défibreur » a plutôt un effet de broyage et c'est au contraire le Shredder qui produit un effet de défibrage.

Le Shredder doit son existence et son utilité au fait que le tissu des membranes des cellules de la canne est très résistant : le simple écrasement entre les cylindres, même sous très forte pression, ne suffit pas pour faire éclater toutes les cellules et en extraire le jus. Par contre, si l'on réussit à défibrer et désintégrer les cellules, le travail d'extraction du jus par le moulin devient très aisé. Pour obtenir un tel effet, il faut déchirer les tissus, et cela s'obtient en forçant les morceaux de canne à passer dans un espace très étroit, en les bloquant d'un coté et en les frappant de l'autre en déployant un grande puissance de frappe. C'est le broyeur à

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Description du Shredder et de l'ensemble commande

marteaux qu'on a choisi dans ce but. On lui a laissé en sucrerie son nom anglais de « Shredder ».

Le tissu de la canne étant fait de longues fibres et de pulpe, la matière obtenue à la sortie du Shredder est une masse de cellules tendres ou de moelle mélangée à de longue fibres filiformes qui feutrent l'ensemble et contribuent à l'entraîner lorsqu'il parvint dans la prise des cylindres de moulins.

Le Shredder remplit donc un rôle que ni les coupe cannes ni les moulins ne peuvent jouer. Il établit en même temps un état de division de la canne qui facilite grandement le travail des moulins.

2.2.3. Les composants du Shredder (voir figure 2.5)

Le Shredder de préparation est du type Sullivan fabriqué par la société FCB. Le Shredder proprement dit compris entre deux flancs latéraux renforcés, formant carter se compose d'un rotor (association de plusieurs pièces) et d'une enclume.

Le rotor : il constitue la partie tournante du Shredder. Il est composé de :

1) L'arbre central sur lequel sont, empilés les disques supports ;

2) Les disques support marteaux : nombre de disques 36 ;

3) Les tirants de serrage et de fixation des disques support marteaux ;

4) De marteaux : nombre de marteaux 108 (3 marteaux par disque) ;

5) Les axes d'articulations des marteaux (6 axes) ;

6) Deux flancs circulaires latéraux renforcés ;

Le rotor est monté sur deux paliers à roulement sur rotules, lubrifiés à l'huile à partir de la centrale de lubrification

Figure 2- 5 : Les composants Shredder.

2.2.4. Principe de fonctionnement du Shredder type FCB de la CSS

Le principe de fonctionnement tel que décrit à la figure 2.5 de la page suivante, se présente comme suit l'épaisseur du lit de canne sur le transporteur (conducteur persienne) est ramenée à 1000 mm par un NIVELEUR, situé en amont du Shredder. Le lit de canne est ensuite pincé entre le tablier du conducteur de canne et le TAMBOUR D'ALIMENTATION (communément appelé Bourreur) qui assure une alimentation positive et continue du rotor du Shredder. Le rotor contrarotatif relève le lit de canne qui est, une première fois, coupé à longueur entre les marteaux et les barres de traction du tambour d'alimentation avant de passer sous la pièce d'entrée, d'enclume. Les cannes sont ensuite fibrisées aux passages successifs des poches et des barres d'enclume dont l'espace vis à vis du diamètre décrit par les marteaux, diminue progressivement. La canne ainsi déchiquetée est alors projetée sur le tablier (transporteur à bande) en une couche dense.

.

Figure 2- 6 : Principe de fonctionnement du Shredder.

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Description du Shredder et de l'ensemble commande

2.3. Caractéristiques et performance du Shredder

La capacité de broyage du Shredder installé est de 300 tonnes de cannes par heures, d'où une capacité journalière de 7200 tonnes de cannes broyées. Le taux de fibre (ligneux de canne) varie entre 16 et 18 %. Ses dimensions principales sont : 2000x1680.

Le calcul du moment d'inertie total du Shredder est nécessaire. Il permet une meilleure maîtrise des paramètres de fonctionnement de celui-ci.

Nous présentons ci-dessous les méthodes et les formules de calcul des moments d'inertie des composants du Shredder.

· Les moments d'inertie des marteaux, assimilés à petites barres parallélépipédiques de dimensions : 150x450x50, par rapport à leur centre d'inertie, se calculent par la formule :

( ) a ^2 b ^2 + I M = × 12

(2. 1)

L'application du théorème de Huygens donne ces moments par rapport à l'axe du rotor.

· Pour ce qui des flancs latéraux, ils sont considérés comme des plaques circulaires (rayon de 585mm et épaisseur de 30mm). Le moment d'inertie par rapport à son axe se calcul par la formule :

I =M R 2 (2. 2)

2

· Le moment d'inertie des disques supports marteaux par rapport à l'axe du rotor, a été calculé avec le logiciel Solidworks. (forme hexagonale, dimensions consécutives : 2600mm et 880mm, épaisseur : 30mm, hauteur 1170mm)

· Le moment d'inertie de l'arbre central (diamètre 245mm et longueur 2500mm) a été calculé en utilisant la formule 2.2

Le Shredder étant en acier, la masse volumique de toutes ses pièces est égale à 7800kg/m³.

Les résultats sont présentés dans le tableau suivant :

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Description du Shredder et de l'ensemble commande

Tableau 2- 1 : Récapitulatif du calcul des moments d'inertie.

2540

Moment d'inertie total

Moment d'inertie par rapport à l'axe du rotor (en kg.m²)

Pièces

10,48 x 1

22,86 x 36

15 x 108

43 x 2

L'arbre central

Disques support marteaux (36)

Marteaux (108)

Flancs latéraux (2)

2.4. Description technique de la turbine d'entraînement du

Shredder

La turbine installée est du type multi étagée, à contre-pression, c'est-à-dire la pression d'échappement est égale ou plus grande que la pression atmosphérique.

Une turbine à action transforme l'énergie calorifique de la vapeur qui lui est fournie en travail utilisable sur l'arbre. Cette transformation n'est cependant pas faite directement, l'énergie calorifique étant tout d'abord convertie en énergie cinétique par détente de la vapeur, dans un aubage, d'une pression à une autre plus faible. Il en résulte un jet de vapeur sortant de l'aubage à une très grande vitesse. Cet aubage, de par sa construction, dirige la vapeur de telle sorte qu'elle attaque celui de la roue sous un angle convenable permettant d'obtenir le meilleur rendement possible.

Un étage Curtis contient deux rangées d'ailettes sur deux roues. Un aubage redresseur est placé entre les deux rangées d'ailettes mobiles, de sorte que la vapeur à la sortie de la première rangée soit redressée pour permettre son passage dans la deuxième rangée d'ailettes avec la direction convenable

Les spécifications techniques de la turbine du Shredder sont données ci-dessous : - Marque: WORTHINGTON TURBO-DYNE.

- type: S6;

- puissance : 2 700kw ;

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Description du Shredder et de l'ensemble commande

- vitesse : 6000 tr/min ;

- pression vapeur admission. : 39 bars abs ;

- température vapeur admission. : 390 °C ;

- pression vapeur échappement. : 2.5 Bars abs ; - sens de rotation : à droite vue du régulateur ;

- commande : mcu 3370 n°série B.I 043 964 ;

- commande Worthington : 70/37 982 ;

- clapet admission : HP 5 `' taille 3» 1/4 Double siège ; - déclenchement survitesse : 6600 rpm ;

- vitesse critique1 : 3215 rpm.

2.5. Description du 6e moulin

L'entraînement du 6^e moulin est décrit sur la figure 2.6. Le moulin constitue l'appareil chargé de l'extraction du jus à partir de la canne Shredder .Un moulin est composé :

o d'un cylindre supérieur ;

o d'un cylindre de sortie ;

o d'un cylindre d'entrée et ;

o du bourreur ou cylindre d'alimentation

o de 6 coussinets (2 par cylindre) ;

o d'un jeu de couteaux MESSCHAERT et d'un jeu de peignes pour rainures circulaires ;

o d'un système de pression hydraulique ;

Les 3 cylindres, le peigne, les couteaux et la bagassière sont disposés de façon triangulaire. Les cylindres supérieurs des moulins ayant un lever de plusieurs millimètres, leurs entraînements doivent prévoir et permettre ce mouvement. A cet effet on termine le bout d'arbre du dernier engrenage par une partie carrée ; on donne la même forme au bout d'arbre du cylindre qui lui fait face, et on interpose entre les deux bouts une pièce de même section, à laquelle on a laisse son nom anglais « Tail-bar ». Le Tail-bar est rendu solidaire des deux bouts d'arbre, qu'il sert à relier, au moyen de deux manchons.

Etude technico-économique des systèmes d'entraînement pour la commande du Shredder et du 6e moulin de la C.S.S. Chapitre 2 : Description technique des installations du service moulin

Description du 6^e moulin et de l'ensemble commande

On appelle « couronnes », les pignons fixés sur les arbres des cylindres et permettant l'entraînement des deux cylindres inférieurs par le supérieur. Les couronnes normales doivent permettre d'obtenir dans un moulin le même réglage relatif pour une usure de cylindres de 6 à 7 % du diamètre. La capacité des moulins est proportionnelle à leur vitesse de rotation. Cette dernière est de varie de 3.5 à 6,5rpm. Les ouvertures d'entrées et de sorties diminuent de moulin en moulin dans la batterie et la pression exercée sur ces derniers augmente dans la batterie.

En sortie les ouvertures d'entrées et de sorties moulins diminuent ; leur rapport augmente ; la pression du dernier moulin est la plus grande de la batterie d`où une pression et une extraction de jus maximales ce qui permet d'avoir une bagasse sèche offrant une meilleure combustible.

Rappel : pouvoir calorifique inférieur P.C.I. de la bagasse à 50 % d'eau d'où 1850 kcal/kg.

2.6. Turbine d'entraînement du 6e moulin

La turbine du moulin date des années 70 et est très vielles. Elle est fabriquée par la société Worthington Turbodyne. Les spécifications techniques de la turbine sont données ci après.

- Constructeur : WORTHINGTON CORPORATION

- Serial : 29572

- Puissance : 670HP ;

- Pression admission : 40bar

- Pression échappement : 1.5bar

- Température admission : 734°F=390°C

- Température échappement : 395 °F=201°C

- Trip speed : 5940 ;

- Max cont RPM : 5400 ;

- Steam rate : 9.83.

- Form : 283 WHB.

- Vitesse de rotation : 4500rpm.

- Inst Book : U-17526.

Le schéma d'entraînement du 6^e moulin est présenté dans la page suivante.

Description du 6^e moulin et de l'ensemble commande

Figure 2- 7 : schéma d'entraînement du 6^e moulin.

Etude technico-économique des systèmes d'entraînement pour la commande du Shredder et du 6e moulin de la C.S.S. Chapitre 2 : Description technique des installations du service moulin

Description du 6^e moulin et de l'ensemble commande

2.7. Conclusion

Cette partie nous a permis de comprendre l'architecture puis le fonctionnement des moulins et du Shredder. Ceci, nous permettra d'avoir vision réelle du problème au moment de dimensionner notre moteur d'entraînement.

Nous avons noté au cours de cette analyse du système que le système est composé d'une série de quatre réducteurs : deux réducteurs sous carter et deux réducteurs sous capot fermé.

Cette succession de réduction a un inconvénient majeur : le rendement du système

devient relativement faible du fait de la mauvaise lubrification du système et de ^l'emploid'engrenages dont le rendement est assez médiocre. Ce constat est important particulièrement

pour le calcul de l'énergie à fournir au système. Par ailleurs, la description technique des
installations du service moulin abordée au chapitre 2, permet par la suite d'entreprendre une
étude comparative des actionneurs compatibles aux broyeurs utilisés

CHAPITRE 3 : ETUDE ET COMPARAISON DES
ACTIONNEURS POUR LA COMMANDE DES BROYEURS DE
CANNE

3.1. Généralités

3.1.1. Objectifs

Cette partie permet a pour but :

· choisir le type de moteur selon la source d'énergie ;

· choisir le type de transmission et définir ses caractéristiques principales.

· faire une étude comparative de différentes solutions

3.1.2. Principe d'un entraînement d'une machine

La figure suivante représente le synoptique d'un groupe d'entraînement couplé à une machine. Le moteur entraîne la machine par l'intermédiaire d'une transmission mécanique chargée d'adapter les caractéristiques du moteur à celles de l'organe considéré. Il est alimenté par des appareils de commande qui assurent selon le procédé le réglage de la vitesse et du couple. Le moteur et sa commande constituent un tout qu'on appelle actionneur. Il est alimenté en énergie et reçoit les ordres de pilotage. L'actionneur et la transmission forment le groupe d'entraînement

Groupe d'entraînement

Actionneur

Transmission

Commande

Moteur

Machine

Énergie Pilotage

Réglage

Figure 3- 1 : Schéma synoptique d'un entraînement.

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Description d'un groupe d'entraînement

3.2. Description d'un groupe d'entraînement

Un groupe d'entraînement est constitué :

> D'un moteur dont le rôle est de fournir la puissance et le couple nécessaire à tous les régimes de fonctionnement. Le moteur doit avoir une puissance nécessaire pour vaincre le couple résistant lors des différents régimes de fonctionnement.

Les moteurs peuvent être classés, selon l'énergie mise en jeu :

1. Mécanique ;

2. Hydraulique ;

3. Pneumatique ;

4. Thermique ;

5. Éolienne ;

6. Électrique. > D'une transmission, dont le rôle est d'adapter les caractéristiques du moteur par rapport à

celles de la machine entraînée. Généralement, la transmission sert à augmenter le couple moteur.

· Transmission directe : dans ce cas, le récepteur est directement relié au moteur.

· Transmission indirecte : on intercale entre le récepteur et le moteur un appareil chargé d'adapter les caractéristiques du moteur à la machine. La transmission indirecte est généralement réalisée par un réducteur de vitesse.

Parmi les différentes transmissions, on peut citer :

o Renvois d'angle ;

o Coupleurs ;

o Réducteurs à couples spiro-coniques ;

o Réducteurs à couples roue et vis sans fin ;

o Réducteurs à roue à chevrons ;

o Réducteurs épicycloïdaux ;

o Réducteurs planétaires ;

o Réducteurs d'éoliennes ;

o Multiplicateur.

> D'une commande qui donne des ordres aux moteurs et permet l'alimentation correcte du moteur en fonction de la charge et de la consigne.

Etude technico-économique des systèmes d'entraînement pour la commande du Shredder et du 6e moulin de la C.S.S. Chapitre 3 : Etude et comparaison des actionneurs pour la commande des broyeurs de canne

Mode de fonctionnement d'une machine

3.3. Modes de fonctionnement d'une machine

3.3.1. Types de machines ou de charges

La machine est considérée comme le récepteur ou la charge à entraîner. Elle peut être classée dans deux familles :

· les charges motrices qui mettent en mouvement un mobile, un fluide ou crée un changement d'état de fluide. Ce sont : les pompes, les ventilateurs, les ascenseurs, les broyeurs, etc....

· les charges passives qui ne procurent pas de force motrice comme l'éclairage ou le chauffage. Celles-ci ne sont pas tenues en compte dans l'étude.

3.3.2. Charges actives

Sous cette domination, sont regroupés tous les systèmes qui permettent de mettre en mouvement un mobile ou un fluide ou l'association de mobile fluide. Le mouvement d'un mobile requiert de modifier sa vitesse ou sa position ce qui implique de lui fournir un couple qui permettra de vaincre la résistance au mouvement ainsi que d'accélérer l'inertie de la charge. La mise en vitesse est une conséquence directe du couple appliqué.

3.3.3. Analyse des quadrants de fonctionnement

Il existe quatre situations possibles dans le diagramme couple vitesse d'une machine. Elles sont résumées dans le tableau associé.

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Mode de fonctionnement d'une machine

Figure 3- 2 : les quadrants de fonctionnement.

3.3.4. Mode de fonctionnement d'une machine selon la nature du couple

> Fonctionnement à couple constant

Le fonctionnement est dit à couple constant quand les caractéristiques de la charge sont telles qu'en régime établi, le couple demandé est sensiblement le même quelle que soit la vitesse. Ce mode de fonctionnement se retrouve sur des machines de type convoyeur, broyeurs (concasseur) ou engins de levage. Pour ce type d'application, le dispositif de démarrage doit avoir la capacité de fournir un couple de démarrage important (1.5 fois ou plus le couple nominal) pour vaincre les frottements statiques et pour accélérer la machine (inertie).

Remarque : Les moulins sont considérés comme des machines à couple constant. > Fonctionnement avec couple croissant avec la vitesse

Les caractéristiques de la charge sont telles que le couple demandé croît avec la vitesse. C'est en particulier le cas des pompes volumétriques à vis d'Archimède dont le couple croit linéairement avec la vitesse ou les machines centrifuges (pompes et ventilateurs) dont le couple varie comme le carré de la vitesse. Quant à leurs puissances, elles varient respectivement avec le carré de la vitesse et avec le cube de la vitesse. Un démarreur destiné à ce type d'application aura un couple de démarrage plus faible.

Remarque : Les Shredders sont considérés comme des machines à couple croissant avec la vitesse. Leur puissance varie comme le cube de la vitesse.

> Fonctionnement avec couple décroissant avec la vitesse

Pour certaines machines, le couple demandé par la charge diminue quand la vitesse augmente. C'est le cas en particulier pour le fonctionnement, dit à puissance constante, quand le moteur fournit un couple inversement proportionnel à la vitesse angulaire. C'est le cas, par exemple, pour un enrouleur dont la vitesse angulaire doit diminuer au fur et à mesure que croît le diamètre d'enroulement par accumulation du matériau. C'est également le cas des moteurs de broche des machines outils. La plage de fonctionnement à puissance constante est par nature limitée : en basse vitesse par le courant fourni par le variateur et en grande vitesse par le couple disponible du moteur. En conséquence, le couple moteur disponible avec les moteurs asynchrones et la capacité de commutation des machines à courant continu doivent être bien vérifiés.

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Mode de fonctionnement d'une machine

k = Constante

T_r

Ù Ù Ù

T_r

T_r

T_r = k.Ù T_r = k / Ù

T_r

T_r = k . Ù2

Ù

T_r = Cste

Machines utilisées pour le Agitateurs, pompes doseuses, Machines utilisées Ventilateur

Levage, le broyage, le convoyage. Mixeurs industriels. Pour le tournage, les pompes

fraisage et le perçage centrifuges

Figure 3- 3 : Types de charge résistante.

3.4. Différents types de combinaisons

Dans ce schéma d'entraînement un ou plusieurs appareils peuvent ne pas figurer dans la disposition. Les différentes combinaisons possibles sont :

a. Machine à Entraînement Directe

MOTEUR MACHINE

b. Moto Réducteur		c.	d.

MACHINE

MOTEUR

RÉDUCTEUR

c.

VARIATEUR

MOTEUR

RÉDUCTEUR

MACHINE

Moto Variateur Électronique

d.

VARIATEUR MOTEUR MACHINE

Moto Variateur Réducteur

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Avantages et inconvénients des machines d'entraînement de broyeurs

3.5. Mode d'entraînement des broyeurs dans les sucreries

Dans les sucreries trois principaux types de moteurs d'entraînement des Shredders et des moulins existent.

o Entraînement par turbine à vapeur ;

o entraînement par moteur hydraulique ;

o entraînement par moteur électrique.

Dans les points qui suivent, nous allons donner les avantages et les inconvénients de chaque type de moteur lorsqu'il est utilisé dans une sucrerie pour la commande des broyeurs.

3.5.1. Par turbine à vapeur

L'entraînement des broyeurs se fut par turbine à vapeur. Ce mode de commande fut essayé pour la première fois en 1947 en Louisiane. Il donna satisfaction et se répandit très rapidement. C'est aujourd'hui, de loin, le système le plus utilisé, comme le cas du service moulin de la CSS.

Ile présente des avantages importants.

+ Avantages de la turbine à vapeur

- il évite la double transformation de l'énergie exigée par les moulins électriques, on y

réalise ainsi une économie de 10 à 15 % de l'énergie absorbée par les moulins ;

- il permet une grande échelle de variation de vitesses des moulins, sans inconvénient

majeur sur le rendement ;

- par rapport à la batterie électrifiée, il économise le turboalternateur, le tableau de la centrale et les câbles électriques de telle sorte que l'installation complète soit moins onéreuse ;

- par rapport aux machines à vapeur, nous avons les mêmes avantages que les moulins électriques : bon couple de démarrage, vapeur d'échappement non souillée d'huile, encombrement plus faible, personnel de surveillance et d'entretien réduit.

L'entraînement par turbine à vapeur présente aussi des inconvénients :

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Avantages et inconvénients des machines d'entraînement de broyeurs

+ Inconvénients de la turbine à vapeur

- Poussée axiale ;

- Maintenance spécialisée très fréquente ; - Conduite très délicate ;

- Contrôle de la vitesse très délicate (emballement possible) ;

- Conduite de vapeur très longue ; - Pièces de rechanges très chères ; - Chaleur dégagée très grande ;

- Bruit ;

- Problème d'étanchéité ;

- Changement fréquent des carbones et des garnitures ;

- Main d'oeuvre qualifiée pour la conduite et la surveillance ;

- Démarrage très long (1heure à 2 heures) ;

- Connaissance très difficile des paramètres de fonctionnement notamment de la puissance consommée ;

- Fonctionnement à de très grande vitesse d'où problème de sécurité ;

- Impossibilité de change le sens de rotation ;

- Régulation très difficile ;

- Usure fréquente de pièces mécaniques.

Certains de ces inconvénients sont quantifiables, d'autres ne le sont pas.

Les turbines à vapeur sont souvent pilotées par des régulateurs mécaniques. Ceux ci causent d'énormes problèmes de maintenance et de réglage et ne fournissent pas une lecture directe de la grandeur réglée.

Parmi les autres problèmes de ce type de commande, on peut citer :

· Régulation incomplète ;

· Usure des pièces mécaniques ;

· Maintenance spécialisée ;

· Le régulateur de marque Woodward à des filiales seulement en occident.

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Avantages et inconvénients des machines d'entraînement de broyeurs

3.5.2. Par moteur hydraulique

Une transmission hydrostatique est, comme son nom l'indique, un ensemble d'éléments qui permettent de transmettre une énergie hydraulique, la transmission se faisant à basse vitesse 5 à 6 m/s. Par contre, dans les transmissions hydro cinétiques (convertisseur de couple) la vitesse est bien plus élevée (supérieure à 80 m/s).

Figure 3- 4 : Schéma fonctionnel d'une transmission hydrostatique

Un moteur thermique ou hydraulique entraîne une pompe transformant son énergie mécanique en énergie hydraulique. A l'autre bout de la transmission, un moteur hydraulique retransforme cette énergie en énergie mécanique

+ Avantages d'une transmission hydrostatique

Elle est d'abord utilisée pour sa compacité et surtout pour sa très grande souplesse d'exploitation. En effet, la transmission hydrostatique permet :

1. Une grande variation de vitesse, de façon continue et sans laminage de l'huile, par simple variation du débit de la pompe ;

2. L'inversion du sens de rotation du moteur hydraulique par inversion du débit de la pompe ;

3. Un contrôle continu du couple dans les deux sens de rotation ;

4. Un rendement global élevé ;

5. En supprimant la cavitation, l'utilisation de la pompe à des régimes plus élevés ;

6. L'obtention de puissance massique élevée supérieures à celle fournies par les moteurs électriques ou thermiques ;

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Avantages et inconvénients des machines d'entraînement de broyeurs

7. Couple élevé à basse vitesse ;

8. Des temps de réponse très courts.

+ Inconvénients de la transmission hydrostatique

1. Utilisation de la très haute pression (pouvant atteindre 200bars) ;

2. Double transformation de l'énergie ;

3. Utilisation de machine mécanique ;

4. Problème d'étanchéité ;

5. Problème de gavage (risque de cavitation). ;

6. Niveau sonore élevé ;

7. Maintenance très spécialisée ;

8. Utilisation d'un fluide en plus de l'énergie électrique ;

9. Problème d'encombrement (présence de la centrale de graissage).

3.5.3. Par moteur électrique

+ Avantages de commande électrique

1. Propreté et netteté : une salle de moulins électriques est beaucoup plus propre qu'une salle de moulins conduits par turbine à vapeur : pas de joints de vapeur fuyant ou égouttant, pas d'huile giclant, pas de tuyaux de vapeur encombrant

2. Contrôle plus complet et permanent : la puissance consommée est connue à tout moment par simple lecture d'un ampèremètre : on est ainsi renseigné sur le résultat d'une modification de réglage. c'est un gros point en faveur des moulins électriques, qui se traduit par une meilleure extraction.

3. Aisance de mise en route et d'arrêt : la mise en route des moulins se fait par pression sur un bouton. L'arrêt s'obtient de même immédiatement, ainsi que le renversement de marche, pour « faire arrière » lors d'un engorgement (bourrage).

4. Frais de marche et d'entretien plus faible. Les frais de graissage des moteurs électriques sont beaucoup plus faibles que ceux exigés par la turbine à vapeur. De même, les frais d'entretien sont bien moindres : pas de segments à changer, d'ovalisation à corriger, de jeux à reprendre, de vannes à roder, de distributeurs à changer, de réglages délicats à effectuer.

Etude technico-économique des systèmes d'entraînement pour la commande du Shredder et du 6e moulin de la C.S.S. Chapitre 3 : Etude et comparaison des actionneurs pour la commande des broyeurs de canne

Avantages et inconvénients des machines d'entraînement de broyeurs

5. Accident moins fréquents pas de coup d'eau à craindre ni de rupture de bouton manivelle.

6. Vapeur échappement sans huile.

7. Avec l'avance de l'électronique de puissance ; possibilité d'utilisation de variateur électronique de puissance.

+ Inconvénients du moteur électrique

Parmi les inconvénients du moteur électrique, on peut citer :

1. Double transformation supplémentaire de l'énergie.

2. Accidents plus graves. S'ils sont rares, les accidents susceptibles de survenir dans une installation électrique sont plus graves et nécessitent un matériel de secours judicieusement prévu.

3. L'installation électrique nécessite un personnel plus spécialisé.

3.6. Tableau comparatif pondéré de la solution électrique et la solution hydraulique

Les inconvénients notés sur l'entrainement par turbine à vapeur nous amènent à l'écarter du choix au profit des solutions hydrauliques.

3.6.1. Critères

Les critères retenus pour la comparaison de la solution électrique avec la solution hydraulique sont :

1. Sécurité.

2. Fiabilité.

3. Simplicité.

4. Maintenance spécialisée.

5. Consommation énergétique.

6. Salubrité.

7. Main d'oeuvre (coûts).

8. Régulation.

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Tableau croisé

9. Facilité démarrage et d'arrêt.

10. Refroidissement.

11. Huile de lubrification.

12. Robustesse.

13. Encombrement.

14. Rendement

Ces critères ont été fixés, suite à une l'exploitation de la littérature et par une enquête effectuée au niveau du service moulin.

Ils ont été par la suite soumis à des personnes ressources, pour l'établissement d'un tableau croisé. Les notes varient entre 0 et 5, selon que l'entraînement utilisé, réponde au critère à évaluer.

Nous présentations les résultats dans le tableau ci-dessous :

Etude technico-économique des systèmes d'entraînement pour la commande du Shredder et du 6e moulin de la C.S.S. Chapitre 3 : Etude et comparaison des actionneurs pour la commande des broyeurs de canne

Tableau ^croisé

3.6.2. Tableau ^croisé

Tableau 3- 1 : Transmission hydrostatique et transmission électrique.

		MOTEUR
	CRITÈRES	ÉLECTRIQUE ASYNCHRONE AVEC VARIATEUR DE VITESSE		TRANSMISSION HYDROSTATIQUE PAR MOTEUR HYDRAULIQUE AVEC VARIATEUR DE VITESSE
1	sécurité	4		2
2	fiabilité	3		3
3	simplicité	4		3
4	maintenance spécialisée	4		2
5	consommation énergétique	4		3
6	salubrité	5		1
7	main d'oeuvre (coûts)	3		3
8	régulation	4		3
9	facilité de démarrage et d'arrêt	3		4
10	refroidissement	4		2
11	robustesse	3		4
12	durée de vie	4		3
13	encombrement	4		2
14	rendement	4		3
total			53		38

L'analyse du tableau croisé nous montre que la solution électrique avec variateur électronique de vitesse est plus rentable que celle hydraulique.

3.7. Conclusion

Ce chapitre, intitulé : Etude et comparaison des actionneurs pour la commande des broyeurs de canne, a permis de dégager les avantages et les inconvénients de chaque type de moteurs pour commande des broyeurs. Il s'agit, des moteurs électriques, des turbines à vapeur et des moteurs hydrauliques. De même, un tableau croisé comparatif a été refait dans la dernière partie. Suite à une première approche qualitative, la solution électrique a été retenue, comme solution de substitution des commandes mécaniques actuelles.

Dans le chapitre suivant, nous ferons le dimensionnement des moteurs électriques pour l'entraînement du Shredder et du moulin, ainsi que leurs spécifications techniques.

CHAPITRE 4 : DIMENSIONNEMENT ET
SPECIFICATIONS TECHNIQUES DES APPAREILS DE
COMMANDE DES BROYEURS

4.1. Introduction

La conception des systèmes d'entraînement est une tache assez exigeante. Ceci s'explique non seulement par une grande diversité des procédés industriels, mais aussi par la nature distincte et souvent non linéaire des éléments entrant dans la structure. La conception d'un entraînement fiable exige une analyse globale du système. Les connaissances nécessaires pour cela sont issues de domaines assez distincts de l'ingénierie moderne : machines électriques, électronique de puissance, logique et électronique de commande, mécanique, etc.

Le processus de conception des systèmes d'entraînement de machines électriques nécessite un choix stratégique des principaux éléments, à savoir le moteur électrique, le convertisseur statique de puissance et le système de commande, à partir de cahier de charges et des spécifications techniques des mécanismes entraînés.

Dans ce chapitre nous allons dans un premier temps au dimensionnement du moteur du Shredder et du moulin dénommés broyeurs. Dans un second temps, nous établirons les spécifications techniques des moteurs, des transmissions et des commandes devant assurer la substitution.

4.2. Eléments de références du dimensionnement

4.2.1. Cahier de charges de l'entraînement

La machine à entraîner pose un certain nombre d'exigences qui constituent le cahier des charges de l'entraînement. Sur le plan mécanique, ce sont principalement :

1. la vitesse nominale et la plage de variation de la vitesse ;

2. le couple nominal et la caractéristique du couple d'entraînement en fonction de la vitesse ;

3. le couple résistant de démarrage ;

4. la durée des cycles de fonctionnement et la fréquence des démarrages ;

Etude technico-économique des systèmes d'entraînement pour la commande du Shredder et du 6e moulin de la C.S.S. Chapitre 4 : Dimensionnement et spécifications techniques des appareils de commande des broyeurs

Dimensionnement de l'entraînement électrique du Shredder

5. la durée maximale admissible du démarrage et du freinage ;

6. l'inertie ;

7. la précision du positionnement et de la vitesse ;

8. l'environnement : température, atmosphère particulière, humidité, vibrations ;

9. la masse du dispositif d'entraînement acceptable, l'encombrement admissible, la disposition géométrique ;

10. la source d'énergie disponible.

4.2.2. Caractéristiques et prévisions de broyage de la CSS

On représente dans le tableau 4.1 de la page suivante, le tonnage de la C.S.S pendant les six dernières années. Il donne :

- La campagne (année d'exploitation) ;

- La quantité de canne broyée (en tonne) ;

- Le nombre de jour de campagne ;

- La durée totale de la campagne (en heures) ;

- Le nombre d'heure d'arrêts pour maintenance et panne ;

- Le nombre d'heure de travail effectif ;

- Et enfin le travail moyen de canne.

Nous constatons à la lecture du tableau 4.1 que pour une production moyenne annuelle de 886 681,36 tonnes de canne, ce qui correspond à un travail de canne est de 199t/h. Les prévisions pour 2015 se situent à 1 500 00 tonnes de canne, c'est-à-dire une production moyenne de 336,28t/h. Nous notons également que la durée moyenne effective d'une campagne est de 4460,61 heures.

Tableau 4- 1 : Tableau de broyage de canne et de la capacité du moulin.

Campagne	Canne broyée en tonne (T)	Nombre jour de campagne	Durée campagne en heures (H)	Arrêt maintenance et pannes en heures (H)	Nombre d'heures de travail effectif (H)	Travail moyen de canne (T/H)
2007-2008	1 007 923,62		4 968,00	507,39	4 460,61	225,96
2006-2007	921 145,34	201,00	4 824,00	612,40	4 211,60	218,72
2005-2006	922 882,12	214,00	5 136,00	422,25	4 713,75	195,79
2004-2005	818 819,58	219,00	5 256,00	760,22	4 495,78	182,13
2003-2004	829 604,20	200,00	4 800,00	351,53	4 448,47	186,49
2002-2003	819 713,30	201,00	4 824,00	390,55	4 433,45	184,89
moyenne	886 681,36	207,00	4 968,00	507,39	4 460,61	199,00
	Prévision de broyage (T)		Durée moyenne d'une campagne (H)	Arrêt maintenance moyen (H)	Durée moyen de travail effectif (H)	Capacité de broyage du Shredder (T/H)
Shredder dans les conditions idéales	1 500 014,00		4 968,00	507,39	4 460,61	336,28

Etude technico-économique des systèmes d'entraînement pour la commande du Shredder et du 6e moulin de la C.S.S. Chapitre 4 : Dimensionnement et spécifications techniques des appareils de commande des broyeurs

Dimensionnement de l'entraînement électrique du Shredder

La production de canne (broyage) dépend en premier lieu des performances de broyage du Shredder puis du moulin. Cependant, le Shredder travaillant à charge variable, nous nous fixons comme tonnage horaire maximal la valeur voisine arbitraire de 350t/h. ce qui permet de compenser les sous productions dues à la baisse de régime, arrivant par moment.

4.3. Dimensionnement du moteur du Shredder

4.3.1. Généralités

Le dimensionnement est réalisé d'après des prévisions de broyage (voir tableau 4.1). Nous allons utiliser pour cela 3 méthodes de calcul des puissances :

- L'une basée sur l'hypothèse d'un mode de fonctionnement à charge constante du Shredder, sera associé à l'exploitation des données de la turbine. Elle prend en compte deux modes de fonctionnement. Le fonctionnement à vitesse constante et le fonctionnement à charge constante.

- Les deux autres, essentiellement empiriques, sont basées sur des formules tirées de la littérature des sucreries :

1' Formule de la puissance absorbée en fonction du tonnage de canne broyée ;

1' Formule donnant la puissance en fonction des paramètres du Shredder. (méthode de Crawford)

4.3.2. Méthode théorique

> Marche à vitesse constante

Ce mode de marche est celui de la CSS. Appliqué au Shredder, celui-ci donne un broyage à vitesse constante, avec une alimentation variable de canne. À la CSS, la vitesse est environ 1000tr/min.

Malgré la simplicité de ce mode de fonctionnement, l'inconvénient est qu'il est ainsi très difficile de prédire le tonnage mais aussi la puissance consommée par le Shredder en fonction de ce dernier (du tonnage). De même, s'il arrive que le tonnage change et que la vitesse ne change pas, il y'a risque de modification de la préparation. Ce mode de fonctionnement entraîne par ailleurs des surcharges, des vides du moteur, ou un broyage

Etude technico-économique des systèmes d'entraînement pour la commande du Shredder et du 6e moulin de la C.S.S. Chapitre 4 : Dimensionnement et spécifications techniques des appareils de commande des broyeurs

Dimensionnement de l'entraînement électrique du Shredder

irrégulier dû à l'irrégularité de l'alimentation. Il n'est pas utilise ici à cause de certaines données manquantes utiles pour le développer cette méthode.

> Fonctionnement à charge constante

Il permet de résoudre les problèmes soulevés dans le cas précédent (marche à vitesse constante), mais aussi de calculer la puissance absorbée par le Shredder pour n'importe quel tonnage de canne. Pour ce faire nous posons comme hypothèse suivante : La vitesse du Shredder doit pouvoir être variée de 500tr/min à 1500tr/min selon le tonnage utilisé.

Cependant, La difficulté de la mise en application de ce mode de fonctionnement à charge constante est due à l'ignorance de la relation liant la vitesse de rotation du Shredder ; l'indice de préparation et le tonnage.

C'est pour cette raison que nous avons pensé utilise le principe de conservation du débit de canne pour avoir la relation manquante.

Formulation : Quantité de canne introduite par le conducteur = quantité de canne broyée par le Shredder. C'est-à-dire :

60× V_c ×l× h × d =1000×A (4. 1)

Avec :

- A = travail de canne en t/h

- Vc=vitesse du conducteur de canne en m/min. Cette vitesse est asservie par rapport au niveau de la chute Donnelly du 1^èr moulin.

- l = largeur du conducteur de canne. Elle est de 2m.

- h = hauteur de canne dans le conducteur de canne, fixe une fois réglée. Elle est de 1m.

- d = densité de la canne (masse volumique) dans le conducteur. Elle dépend de son mode de préparation avant son arrivée au niveau du Shredder. Elle peut arriver enchevêtrée, parallèle ou hachée. Les valeurs des densités de la canne en fonction du mode de préparation et de la condition d'alimentation sont données dans le tableau suivant :

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Dimensionnement de l'entraînement électrique du Shredder

Tableau 4- 1 : densité des types de canne.

Type de canne	Densité de canne (Kg/m3)	Condition d'alimentation
cannes enchevêtrées	125	Depuis les champs sans précaution particulière.
cannes parallèles	150	Passage sous le niveleur. Utilisé par la CSS.
cannes hachées (tranchées)	300	Arrivée très régulière, utilisation de coupe canne.

La relation (4.1) peut également s'exprimer par :

(4. 2)

n (tr / min)×t= V _c ×l× h × d

- t étant la quantité de canne que le Shredder est capable de broyer en un tour, sans bourrage ni surcharge

- n étant la vitesse de rotation du Shredder

D'où :

V l h d

c × × ×

n tr

t

( /min) =

> Calcul de V_c

La vitesse du conducteur de canne est calculée à partir la chaine cinématique d'entrainement comme indiquée par le schéma ci après

Translation du conducteur de canne entrainant la canne brute (non encore hachees.

Moteur

Réduction1

Réduction2

Tambour

Moteur		Réducteur		Roue et pignon		Longueur
électrique		sous carter		denture double		L=2000
P=90kW		Wéco

Figure 4- 1 Représentation la chaîne cinématique d'entraînement du conducteur.

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Dimensionnement de l'entraînement électrique du Shredder

· Réduction primaire 1 : Réducteur sous carter Wéco Tableau 4- 2 : calcul rapport réduction primaire du conducteur de canne

grande vitesse		1447,00	petite vitesse
35,27		rapport de réduction=r 1
41,02

· Réduction secondaire 2 : Roue et pignon Tableau 4- 3 : calcul rapport réduction secondaire et global du conducteur de canne.

diamètre pignon en (mm)		340,000	diamètre roue en (mm)
1525,000		rapport de réduction =r2
1/4,485

réduction total=r1xr2

1/184,000

· Formule donnant la vitesse sortie arbre réducteur2 en fonction de la vitesse du moteur du conducteur

N= s		Ne

(4. 3)

o N exprimé en tour par minute

· Formule donnant la vitesse du conducteur de canne

× N_s × 60

30

(4. 4)

V R ð

c = ×

o R exprimé en mètre (m)

o Vc exprimée en mètre par minute (m/min)

> Calcul du couple résistant

Le couple résistant du Shredder varie en fonction de sa vitesse. De l'analyse de son

fonctionnement, nous constatons que celui ci démarre à vide jusqu'à une vitesse donnée (à

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Dimensionnement de l'entraînement électrique du Shredder

régler) puis il est chargé. La formule du couple contient donc une grandeur qui varie en fonction de sa vitesse, et une grandeur fixe. Le calcul de ce dernier se fera en exploitant les conditions de fonctionnement actuelles, notamment des données thermodynamiques sur la turbine d'entraînement de Shredder.

Par ailleurs rappelons que le fonctionnement du Shredder est assimilable à une masse tournante. Sous l'effet centrifuge la force est proportionnelle au carrée de la vitesse. Par conséquent, le couple, également proportionnelle au carrée de la vitesse s'exprime par :

C = k× n ² + C1 (4. 5)

o -k étant une constante donnée à partir du fonctionnement à vide du Shredder à la vitesse de 992rpm.

o C1 étant le couple résistant constant de la charge pour le modèle à débit constant. Sa valeur est donnée par la différence entre le couple pour le fonctionnement à la charge de 250tch, et le couple pour lequel le Shredder n'est pas chargé. Il ne tient pas compte de l'effet centrifuge et quadratique du Shredder.

Calcul des constantes k et C1

Ces grandeurs seront calculées d'après des observations sur le fonctionnement du Shredder pour la détermination des caractéristiques des 3 points de fonctionnement suivante, pour un tonnage moyen considéré de 250tch (pris comme référence au moment de relever les valeurs) :

· le fonctionnement à vide du Shredder (Shredder non chargé) ;

· le fonctionnement à charge nominale du Shredder ;

· le fonctionnement correspondant aux pics du Shredder (états passagers de surcharges). Remarque : Les paramètres thermodynamiques des tableaux pour le calcul des puissances ont été relevés le 36 février 2008 à 8h 42min 30.

3600

Ä h

P q m

= ×

(4. 6)

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Dimensionnement de l'entraînement électrique du Shredder

> Dispositifs expérimentaux de mesures :

La turbine est équipée de :

· 2 capteurs de pression : à l'entrée de la turbine et à la sortie de la turbine

· 4 capteurs de température : à l'entrée de la turbine et à la sortie de la turbine ; à l'entrée et à la sortie du réfrigèrent d'huile de lubrification.

· 1 capteur de débit : donnant le débit de vapeur admis dans la turbine.

· 2 capteurs de vitesse : donnant la vitesse de la turbine et du Shredder.

Les deux tableaux suivants donnent respectivement les caractéristiques nominales de la vapeur devant alimentée la turbine du Shredder et celles fournies par les chaudières.

Tableau 4- 4 : Etat thermodynamique nominal de la vapeur d'alimentation de la turbine du
Shredder.

	Entrée		Sortie	Pression (bars)
39	2,5		Température (°C)
390	150

Tableau 4- 5 : Etat thermodynamique de la vapeur fournie par la CSS.

	Entrée		Sortie	Pression (bars)
40	1,5		Température (°C)
400	150

La température et la pression et le débit varient comme suit en admission.

· 39<P (bars) <43 ;

· 350<T (°C) <400 ;

· 1<Q_m (t/H) <22 ;

> calcul de la puissance de la turbine.

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Dimensionnement de l'entraînement électrique du Shredder

Avec

· P : puissance absorbée par la turbine en MW

· Q_m : débit massique vapeur sèche en T/h

· h : Différence d'enthalpie massique en kJ / kg

Enfin, connaissant la puissance à partir de l'expression (4.5), nous avons :

C 0	30		×		P
		×	n

D'où k donnée par la relation (4.7) ci dessous

C₀

2

n

(4. 7)

C = k × n ² k = 0

L'application numérique donne :

68 ,94 1 10

k

= 0,00070057 5

×

992 2

C1( m. daN)=1215-69=1146

Enfin, les résultats de calcul pour chaque point de fonctionnement considéré sont présentés dans les tableaux (4.6), (4.7), (4.8).

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Dimensionnement de l'entraînement électrique du Shredder

·
· Turbine Shredder à vide (Shredder non chargé) :

Tableau 4- 6 : Puissance et couple absorbés par le Shredder non chargé (à vide) pour un tonnage de 250tch.

	Pression (bar)	Température (°C)		Enthalpie (kJ/kg)	Entrée
40,700	354,000	3103,089		Sortie
1,000	215,300	2904,764		Différence d'enthalpie (kJ/Kg)
		198,325		Débit de vapeur (t/H)
		1,300		Puissance (kW)
		71,617		Rendement global
		0,94		Puissance reçue par le Shredder (kW)
		67,320		Vitesse de rotation (tr/min)
		992,000		Couple (m.daN) (C0)
		68,941

·
· Turbine Shredder en surcharge

Tableau 4- 7 : Puissance et couple absorbes par le Shredder en surcharge (à pic) pour un tonnage de 250tch.

	Pression (bar)	Température (°C)		Enthalpie (kJ /kg)	Entrée
39,070	366,100	3136,268		Sortie
1,310	150,000	2776,000		Différences d'enthalpie (kJ/kg)
		360,268		Débit de vapeur (t/H)
		21,660		Puissance (MW)
		2,168		Rendement global
		0,94		Puissance reçue par le Shredder
		2,038		Vitesse de rotation (tr/min)
		959,600		Couple (m.daN)
		2027,639

·
· Turbine de Shredder en marche nominale

Tableau 4- 8 : Puissance et couple absorbés par le Shredder en marche normale pour un tonnage de 250tch.

	Pression (bar)	Température (°C)		Enthalpie (kJ/kg)	Entrée
40,660	375,130	3155,984		Sortie
0,700	150,000	2776,041		Différence d'enthalpie (kJ/kg)
		379,943		Débit de vapeur (t/H)
		12,720		Puissance (kW)
		1342,47		Rendement global
		0,94		Puissance reçue (kW)
		1261,92		Vitesse de rotation (tr/min)
		992,3		couple (m.daN)
		1215,009

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Dimensionnement de l'entraînement électrique du Shredder

· Calcul de la puissance absorbée par le Shredder

Les résultats précédents sont valables pour un tonnage de 250tch. Par exploitation de la méthode précédente, nous déterminons la puissance absorbée par le Shredder pour des tonnages compris entre 350 et 135 tch, c'est-à-dire pour des vitesses comprises entre 500 et 1500tr/min. Ce qui nous amène à utiliser la formule ci-dessous (4.8) :

P kW C ( ) = × × 10	ð× n		(4. 8)

Nous présentons les résultats obtenus dans le tableau 4.9 de la page suivante. Celui-ci fait apparaitre, pour chaque objectif de tonnage :

· la vitesse linéaire du conducteur de canne ;

· la vitesse de rotation du Shredder ;

· le couple moteur (ou résistant) ;

· la puissance consommée ;

· le tonnage journalier pour une marche continue (T) :

T= A × 23 , 75

(4. 9

Dimensionnement de l'entrainement électrique du Shredder

Tableau 4- 9 : Tableau Donnant les différents paramètres du modèle à débit constant.

Ne (tr/min)	1 447	1 400	1 300	1 250	1 110	1 100	900	800	700	600		560	Ns (tr/min)
7,86	7,61	7,07	6,79	6,03	5,98	4,89	4,35	3,80	3,26	3,04

Rt (m)

0,393

Vc (m/min)

19,4

18,8

17,4

16,8

14,9

14,7

12,1

10,7

9,4

8,0

7,5

d (kg/m^3)		150	h (m)
1		l (m)
2		t (kg)
4,5

N (tr/min)	1293	1251	1162	1117	992	983	804	715	625	536		500	C (m.N)
12632	12557	12406	12335	12150	12137	11914	11819	11735	11662	11636		P (kW)
1710	2937	2544	2363	1906	1876	1347	1126	930	756	692		A (tch)
349	338	314	302	268	265	217	193	169	145	135		T (t)
8291	8022	7449	7162	6360	6303	5157	4584	4011	3438	3209

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Dimensionnement de l'entrainement électrique du Shredder

En conclusion partiel, nous pouvons dire ce modèle de fonctionnement à charge constante nous a permis de déterminer les paramètres des éléments de substitution :

· la vitesse nécessaire pour atteindre un objectif de production de 350tch : n=1300tr/min ;

· La puissance absorbée nécessaire pour ce tonnage : P= 1710 kW ;

· La vitesse linéaire du conducteur : V_c 19,4m/min.

Remarque :

Les résultats précédents sont valables pour un mode de fonctionnement à charge constante. En considérant la même puissance absorbée pour le modèle à vitesse constante, le couple peut être déterminé car la vitesse de rotation du Shredder étant fixée à 1000tr/min par le constructeur.

4.3.3. Méthodes empiriques

> Calcul Puissance en fonction du tonnage de canne

Ce premier calcul utilise une valeur moyenne extraite de la littérature [7]. Ainsi, la puissance absorbée par le Shredder pendant le broyage est estimée à 30kw/tfh.

Si P est la puissance du moteur capable d'entraîner le Shredder, pour une production de 350tch et une charge ligneuse de canne est de 0,16, nous avons :

P = 30 ×350×0,1 6 =1680kW

> Calcul de la puissance absorbée par le Shredder par la méthode de Crawford

M. Crawford, spécialiste des sucreries, donne une formule estimant la puissance du moteur capable d'entraîner le Shredder pendant le broyage. Celle-ci est fonction des caractéristiques du Shredder et de la vitesse à laquelle la machine est entraînée. Nous présentons la méthode dans le tableau de la page suivante. Les calculs sont effectués pour une vitesse de 1000 et de 1300rpm.

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Dimensionnement de l'entrainement électrique du moulin

formule empirique de M.

Crawford

Pth = 91×Mm× R× h× n3 × N × (ø + 2ä) ×è.

Pth : puissance théorique en kW.

Mm : masse d'un marteau en kg (25 kg).

R : distance de l'axe au pivot des marteaux en mètre

h : distance du centre de gravité du marteau à son pivot en mètre.

n : vitesse nominale du moteur d'entraînement en milliers de tours par minute.

N : nombre de marteaux.

ø : angle balayé par les marteaux entre le premier contact avec les cannes et l'entrée à l'enclume en radian, correspondant à l'angle existant entre trois séries de marteaux pour ce

Shredder.

ä : angle balayé par les marteaux en passant sur l'enclume en radian, égal au précédent.

è : angle dont le marteau est repoussé en arrière dans son passage sur l'enclume, estimé à 0,02radian.

Tableau 4- 10 : Puissance du Shredder par la formule de Crawford.

Paramètres	Valeur		unités	Mm=
25,000	kg		h
0,150	m		R=
0,480	m		n3=
1 ou 2,16			N=
108,000	marteaux		ø=
1,571	radians		ä=
1,571	radians		è=
0,020	radians

Pth (pour 1000 tr/min)	1 667,281		kW	Pth (pour 1293 tr/min)
3 604,162	kW

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Dimensionnement de l'entrainement électrique du moulin

Le tableau 4-11 donne une synthèse des résultats obtenus.

Tableau 4- 11 : Tableau récapitulatif de calcul des puissances absorbées par le Shredder.

Méthode	puissance du Shredder (kW)		observation	puissance en fonction tonnage
1680 (absorbée)	Formule empirique, tenant en compte le débit de canne mais pas de la vitesse du Shredder. Ne tient pas compte du type de Shredder utilisé. Résultat pour un débit de 350tch		puissance par la méthode d'extrapolation thermodynamique
1710 (absorbée)	Tient compte de la vitesse du Shredder et du débit de canne. Choix des paramètres très Discutable. Jamais implémentée. Etabli pour 1293rpm et 350tch.		puissance par la formule empirique de M. Crawford
1667,281 pour une vitesse de 1000 tr/min 3604 pour une vitesse de 1293 tr/min (à installer)	Ne tient pas compte du débit de canne travaillé. Tient compte du type de Shredder et de la vitesse de celui-ci.		Commentaires : pour un fonctionnement à vitesse constante, nous retenons une puissance absorbée de 1710kW, et pour un fonctionnement à vitesse variable une puissance à installée de 3600kW.

4.4. Dimensionnement du moteur du 6e moulin

4.4.1. Généralités

La détermination de la puissance absorbée par un moulin est assez complexe parce qu'il dépend de nombreux facteurs.

En effet cette puissance tient compte de :

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Dimensionnement de l'entrainement électrique du moulin

- la puissance absorbée par la compression de la bagasse ;

- la puissance absorbée par les frottements entre fusées et coussinets des cylindres ;

- la puissance absorbée par le frottement entre bagasse et bagassière ;

- la puissance absorbée par le frottement des raclettes et du bec de la bagassière

contre les cylindres, auquel s'ajoute le travail de décollement de la bagasse en

ces points ;

- la puissance absorbée dans les engrenages.

D'autres parts, ces cinq (5) puissances composantes dépendent aussi de facteurs dont la mesure et l'estimation sont relativement difficiles :

· variété de la canne (à poids de ligneux égal, le broyage de deux variétés

différentes peut exiger des puissances sensiblement différentes) ;

· Etat de surface en frottement, qualité et maintien de graissage ;

· Réglage des ouvertures et de la bagassière.

Nous utilisons pour le calcul de la puissance, comme précédemment, 3 méthodes :

· Calcul de la puissance par la méthode de la charge hydraulique ;

· Calcul de la puissance en fonction du tonnage de canne ;

· Calcul de la puissance du moulin par la méthode expérimentale.

4.4.2. Calcul de la puissance du moulin à partir de la charge hydraulique

Une formule empirique tirée de la somme des cinq puissances constituantes de celle absorbée par le moulin est par la formule suivante [7] :

6 5

r -

= 0,4 5. å + + L

( ) . _A 0. 06 4

1 + -

r 1

P nD F

r

(4. 10)

Avec :

- r=coefficient de survitesse à la sortie du moulin (varie de 1 à 2 par pas de 0,1) - F=charge hydraulique du moulin, en tonnes,

- n=vitesse de rotation des cylindres, en tours/minutes,

- D=diamètre moyen des cylindres, en mètres,

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Dimensionnement de l'entrainement électrique du moulin

- åA=ouverture spécifique de la sortie du moulin = eA

D

- L= largeur des cylindres

La Formule empirique simplifiée est donnée par :

P =kFnD (4. 11)

Le coefficient k est donné pour une puissance normale et une puissance de pointe. Il dépend de la préparation de la canne et aussi du mode d'alimentation des moulins (régulation manuelle, tâteur de couche, chute Donnelly). La valeur retenue est de 0.16.

> Calcul de la pression hydraulique maximale exercée sur le cylindre supérieure

La pression hydraulique est exprimée en tonne. Celle exprimée en bars varie de 135 bars à 200 bars et dépasse rarement 220 bars.

Pour nos calculs nous considérerons 220 bars comme la valeur maximale de pression hydraulique à ne pas dépasser.

Le diamètre du piston hydraulique sur lequel s'exerce la pression est constante est égal à 361mm. La pression hydraulique est exercée du coté transmission (Tail-bar) et du coté opposé. Le plus souvent les pressions exercées ne sont pas égales. Celles sur le coté opposé sont moins élevées que celles sur le coté transmission, mais dans nos calculs nous prendrons ces valeurs égales.

F1	P S P × = ×	ð	×D	2	(4. 12)
			4

ð ( )

0. 3 6 1 ²

×

5 6

F = × ×

220 10 = 2 . 25 2 10

× N

¹ 4

1 kN = 0. 1 02 tonnes _ poids (4. 13)

D'où la pression hydraulique sur un piston en tonne est égale à

F = 1 ×

F 0,1 02 230

tonnes

1000

8

v_E

1

ðD

=

D+

(4. 18)

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Dimensionnement de l'entrainement électrique du moulin

La pression hydraulique totale sur un moulin est égale à Fth = 2 × F₁

Finalement F th = 460 tonnes

> Estimation de la vitesse de rotation

La vitesse v représente la vitesse de progression de la canne dans le conducteur de cannes, de la bagasse dans les conducteurs intermédiaires et dans les moulins. Elle une très grande influence sur l'extraction. Elle est donnée par la l'équation suivante

v = ðDn

(4. 14)

- V= vitesse périphérique, en mètres/minute,

- D = diamètre moyen des cylindres, en mètre,

- n = vitesse de rotation, en tours/minute.

v (4. 15)

n	=

ð D

Dans la pratique la vitesse maximale est estimée à :

(4. 16)

v_m =1 8 D

Certaine sucrerie atteignant aujourd'hui des vitesses périphériques de l'ordre de 18 à 20 m/min.

Alors que les vitesses habituelles pratiquées tournent autour de :

nE

8 = D+

1

(4. 17)

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Dimensionnement de l'entrainement électrique du moulin

Tenant compte des calculs précédents, et des expressions empiriques de la vitesse cidessus, la vitesse optimale de rotation du moulin retenue dans cette étude sera comprise entre : 3.5 et 6.5 tr/min.

> Estimation du diamètre des cylindres.

Le diamètre moyen des cylindres peut varier de 1010 mm à 950 mm en fonction de l'usure du cylindre. Pour atteindre des tonnages importants il peut être nécessaire d'avoir des cylindres de diamètre allant jusqu'à 1170 millimètres. Le calcul de la puissance se fera pour ce diamètre.

> Application numérique

P =k× F ×n × D

P = 0 . 1 6 × 460 × 6, 5 × 1 ,1 7 = 560KW

La puissance exigée par un moulin est relativement stable. Toutefois, ce dernier est soumis à des variations d'alimentation amenant des surcharges momentanées. Il est donc nécessaire de prévoir avec une certaine réserve de puissance que nous fixons à 20%.Donc cette grandeur est estimée à 672kW. De plus la prise en compte des rendements de la transmission nous donne une puissance effective de 878kW.

NB : L'utilisation d'un variateur de vitesse pour le moulin évite le surdimensionnement par réglage de la vitesse.

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Dimensionnement de l'entrainement électrique du moulin

Moteur Variateur : I Pu=878kW

Réducteur planétaire : I ç=0,85

TransmissionTail-Bar : I ç=0,9

Moulin :

I Pu=672kW

Figure 4- 2 : Puissance du moulin par la méthode de la charge hydraulique.

4.4.3. Calcul de la puissance du moulin en fonction du tonnage

La formule adaptée est de l'ordre 15W/tfh.

Soit :	P= × × 15 3500. 1 6
	P=840kW

Cette valeur empirique de la puissance en fonction du tonnage correspond à la puissance du moteur installé.

4.4.4 Méthode expérimentale de calcul de la puissance du moulin

Le moulin actuel est entraîné par turbine à vapeur. L'exploitation des paramètres thermodynamiques à l'entrée et à la sortie de la turbine nous permet d'avoir une idée sur la puissance absorbée par le moulin actuel pour le tonnage moyen actuel et la vitesse moyenne actuelle.

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Dimensionnement de l'entrainement électrique du moulin

Exploitation des relevés thermodynamiques

Tableau 4- 12 : Calcul de la puissance absorbée par le moulin pour le tonnage de 250tch.

	Pression (bar)	Température (^°c)	Enthalpie (kJ/kg)
Entrée Sortie Différence d'enthalpie (kJ/kg) Débit de vapeur (T/H) Puissance (kW) Rendement global Puissance reçue par le moulin (kW) Vitesse de rotation (tr/min) Couple (m.daN)	40,660 0,700	375,130 150,000	3155,984 2776.041 379.943 6,200 654.35 0,6 392.61 3,5 107172.275

La puissance moyenne reçue par le moulin est de 392.61kW. Si nous supposons que la puissance consommée par le moulin est proportionnelle au tonnage. On aura avec l'objectif de production de 350tch :

3 92,6 1 350 =

×

P = 549, 6554kW

250

Il est nécessaire de prévoir une certaine réserve de puissance que nous fixons à 20%. L'utilisation d'un variateur de vitesse pour le moulin écarte toute idée de surdimensionnement. La puissance absorbée sera de 659,58kW. De plus la prise en compte des rendements de la transmission nous donne une puissance effective de 840kW.

4.4.5. Synthèse du calcul de la puissance du moulin

Trois méthodes de calculs ont été faits pour déterminer la puissance nécessaire à l'entraînement du moulin pour un objectif à atteindre de 350tch.

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Dimensionnement de l'entrainement électrique du moulin

Tableau 4- 13 : Récapitulatif du calcul de la puissance du moulin.

Puissance à installer (kW)

Empirique 878

Méthode de calcul

Thermodynamique 862

Tonnage de canne 840

La puissance minimale proposée pour le 6^e moulin est de 880kW

4.5. Spécifications techniques des moteurs

4.5.1. Introduction

Le moteur électrique constitue l'élément structurel fondamental d'un système d'entraînement. Le tableau de la page suivante présente les différents types de moteurs à courant électrique. Les deux grands groupes de moteurs électriques sont : les moteurs à courant continu et les moteurs à courant alternatif.

Pour satisfaire aux exigences élevées des mécanismes entraînés, le moteur à courant continu (cc) a été longtemps utilisé dans les sucreries pour l'entraînement des moulins et des Shredders.

Étant donné la bonne performance des systèmes d'entraînement des machines à courant continu, on peut se demander pourquoi on emploi aussi les machines à courant alternatif, en voici les principales raisons.

1) Les machines à courant alternatif n'ont pas de collecteur par conséquent elle nécessite moins d'entretien.

2) Pour une puissance et une vitesse données, les machines à courant alternatifs sont moins chères et moins lourdes que celle à courant continu.

3) Les machines à courant alternatifs sont plus robustes et travaillent mieux dans un environnement difficile, ce qui le cas au niveau des sucreries.

4) A cause du collecteur, la tension des machines à courant continu est limitée à environ 1500V. Par contre la tension des machines à courant alternatifs peut atteindre plusieurs milliers de volt, ce qui permet pour les grosses moteurs une diminution importante du courant du courant.

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Spécifications techniques des appareils de substitution

5) La puissance des moteurs à courant alternatifs peut dépasser 50 000kw, alors que celle des machines à courant continu est limite à 2000kw environ.

6) La vitesse des moteurs a courant alternatifs peut atteindre 100 000tr/min, tandis celle des machines a c.c.p. à cause de la commutation est limitée à environ 3000tr/min.

Tableau 4- 14 : Classification des différents types de moteur.

Synchrones

Rotor bobiné

Monophasés

Induction

Cage d'écureuil

Moteurs AC
(À courant alternatif)

Synchrones

Moteurs électriques

Rotor bobiné

Polyphasés

Induction

Cage d'écureuil

Aimant

Série

Moteurs DC
(À courant continu)

Shunt

Grâce aux progrès réalisés en électronique de puissance et en microélectronique, l'entraînement à moteur à courant alternatif (c.a.) sont aujourd'hui d'utilisation courante. Ils peuvent désormais fournir des performances dynamiques aussi bonnes que celles des entraînements classiques à courant continu tout en étant plus robustes et de moindre entretien.

Parmi les moteurs à courant alternatif, le moteur asynchrone à cage se distingue par sa simplicité et sa robustesse. Ce moteur est aujourd'hui utilisé dans toutes les gammes de puissance tant pour les entraînements haute performance que pour les applications industrielles courantes.

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Spécifications techniques des appareils de substitution

4.5.2. Spécifications techniques du moteur du Shredder

Quoi que l'on puisse dire sur l'inertie du Shredder, celui-ci absorbe à vide une puissance de moins de 5% de la puissance en charge au tonnage maximal. De plus, avec le développement de l'électronique de puissance, les moteurs asynchrones à cage, même standard sont capables d'entraîner presque toutes les charges possibles, à tous les régimes de fonctionnement. Pour cela il suffit juste de lui associer un convertisseur statique compatible avec les caractéristiques de la charge entraînée.

Spécifications techniques du moteur du Shredder pour le fonctionnement à charge constante

· Type de moteur : asynchrone à cage.

· Puissance : 3600kW.

· Vitesse de rotation : 1500rpm.

· Tension d'alimentation : 5500V.

· Commande : par variateur de vitesse électronique (en asservissement)

Spécifications technique du moteur du Shredder pour le fonctionnement à vitesse constante : + Proposition 1 :

· Type de moteur : asynchrone à rotor bobiné ;

· Puissance : 2565kW ;

· Vitesse de rotation : 1000rpm ;

· Tension d'alimentation : 5500V ;

· Démarrage par démarreur électrolytique.

+ Proposition 2 :

· Type de moteur : asynchrone à cage ;

· Puissance : 2565kW ;

· Vitesse de rotation : 1000rpm ;

· Tension d'alimentation : 5500V ;

· Commande : par variateur de vitesse électronique (en régulation).

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Spécifications techniques des appareils de substitution

4.5.3. Spécifications techniques du moteur du moulin

· Type : moteur asynchrone à cage ;

· Puissance : 880 à 1000kW ;

· Tension : 5500V ;

· Vitesse de rotation : 500tr/min, ou 750 tr/min, ou 1000 tr/min ;

· Commande : variateur de vitesse électronique.

4.6. Spécifications techniques du réducteur de vitesse du moulin

Notre choix s'est porté sur le réducteur CANEFLEX, qui a été spécialement étudié pour le broyage de la canne à sucre. Le réducteur CANEFLEX standard est conçu pour des vitesses d'entrée de 600 tr/min à 1 800 tr/min et des vitesses de sortie d'environ 3 tr/min à 7 tr/min. L'arbre et le roulement de sortie sont étudiés pour accepter les charges induites par le Tail-bar. L'installation du réducteur CANEFLEX est aisée.

Spécifications techniques :

· Puissance du moteur : 1000 kW :

· Vitesse d'entrée de 500tr/min, ou 750 tr/min, ou 1000 tr/min

· Vitesse de sortie de 6,5 ou 7rpm :

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Spécifications techniques des appareils de substitution

4.7. Spécifications techniques des variateurs de vitesse

4.7.1. Introduction

Pour augmenter ou diminuer la capacité d'une batterie de moulin, le changement de la vitesse des moulins est souvent nécessaire. De même pour augmenter leur capacité d'extraction on est souvent amené à faire varier la vitesse du moulin. La vitesse des moulins comme nous l'avons dit varie de 3.5 à 6.5 tr/min. Or, les moteurs d'induction sont à vitesse presque constante d'où la nécessité d'équiper nos moulins de variateur de vitesse.

Le Shredder fonctionne dans presque la totalité des cas à une vitesse constante. Cependant, avec le modèle à charge constante, on est obligé, pour changer le tonnage, de varier sa vitesse en fonction de celui du conducteur de canne.

Cependant, le variateur de vitesse, en plus de leur rôle premier de faire varier la vitesse d'un entraînement est de plus en plus utilisé dans les systèmes où la charge varie énormément, comme le cas des Shredder et des moulins, pour obtenir des économies d'énergies et des gains en performance.

4.7.2. Propriétés générales de la variation de vitesse des machines électriques

Avantages

Les variateurs de vitesse ont des avantages aussi bien pour la charge entraînée que pour le moteur d'entraînement et la machine (Shredder, moulin).

> Au niveau du moteur :

· faire des économies d'énergie en diminuant les pertes propres et la dissipation d'énergie ;

· supprimer les surintensités de démarrage ;

· faciliter le démarrage charge de forte inertie ;

· obtenir un couple de démarrage supérieur au couple minimal ;

· éliminer les démarrages brusques ;

· diminuer les bruits acoustiques.

> Au niveau de la charge entraînée

· Meilleur adaptation de la vitesse au travail effectué ;

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Spécifications techniques des appareils de substitution

· Modification rapide de la vitesse et/ou du couple ;

· Suppression des à-coups de couple au démarrage ou en cas de défauts momentanés du réseau.

4.7.3. Spécifications techniques du variateur de vitesse du moteur du 6^ème moulin

[5]

Ci-dessous les spécifications techniques du variateur de vitesse du moulin

· le moulin est une charge nécessitant une variation de vitesse : la vitesse varie de 3.5 à 6.5tr/min.

· Il sera entraîné par un moteur asynchrone à cage de puissance comprise entre 880kW et 1000kW.

· Technologie d'entraînement : Cycloconvertisseur pour moteur asynchrone.

· Nature du moteur : moteur asynchrone.

· Nature du convertisseur : convertisseur direct de fréquence à commutation assisté.

· Composants du convertisseur réseau (redresseur) : thyristors.

· Composants du convertisseur moteur (onduleur) : thyristors.

· Puissance : entre 880 et 1000kW.

· Tension du variateur et du moteur : 5500V

· Gamme de vitesse nominale (ou de fréquence) : 500tr/min, ou 750 tr/min, ou 1000 tr/min.

· Plage de variation de vitesse. 50 à 100%

· Domaine de fonctionnement : 1 quadrant.

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Spécifications techniques des appareils de substitution

Schéma de principe

.

Figure 4- 3 : Schéma Cycloconvertisseur.

> Description du convertisseur

Le Cycloconvertisseur à commutation naturelle est constitué de deux ponts de Graetz par phase et nécessite donc, en triphasé, 36 soupapes. En commutant les angles de retard des différents thyristors, on peut, par un procédé d'échantillonnage, obtenir une tension de sortie qui soit, en moyenne, sinusoïdale. À cause des difficultés dues aux harmoniques et à la commutation, la fréquence maximale que peut délivrer le Cycloconvertisseur est de l'ordre du tiers de la fréquence d'entrée. La vitesse d'un moteur asynchrone ainsi alimenté ne peut dépasser 1000tr/min.

En pratique d'ailleurs, les Cycloconvertisseur sont employés pour entraîner des moteurs plutôt lents, tournant au plus à 600tr/min ou moins, mais avec des puissances qui peuvent atteindre 10MW.

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Spécifications techniques des appareils de substitution

4.7.4. Spécifications techniques du variateur de vitesse du moteur du Shredder [5]

Pour le fonctionnement à charge constante, une variation de vitesse du Shredder est nécessaire. La vitesse va varier de 500tr/min à 1300tr/min. Technologie d'entraînement : commutateur de courant assisté pour moteur asynchrone.

· Nature du moteur : moteur asynchrone à cage.

· Nature du convertisseur : redresseur onduleur courant à commutation assistée (filtre).

· Composants du convertisseur réseau (redresseur) : thyristors.

· Composants du convertisseur moteur (onduleur) : thyristors.

· Puissance : 3600kw.

· Tension du variateur et du moteur : 5500V.

· Vitesse nominale (ou de fréquence) : 1000tr/min, pour le fonctionnement à vitesse constante et de 500 à 1300tr/min pour le fonctionnement à charge constante.

· Plage de variation de vitesse : 10 à 100%.

· Domaine de fonctionnement : 2 quadrants.

Schéma de principe

Figure 4- 4 : Convertisseur de fréquence à commutateur de courant assisté pour moteur
asynchrone de forte puissance.

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Spécifications techniques des appareils de substitution

> Description du convertisseur

Ce convertisseur, dont le schéma de principe est illustré par la figure ci dessus, et est constitué d'un redresseur triphasé à thyristor commandé en courant, d'un étage de filtrage à courant continu et d'un onduleur de cornant à thyristors fonctionnant en commutation assistée par la charge. Des condensateurs de forte valeur sont placés en sortie de l'onduleur et connectés en parallèle sur les enroulements du moteur de façon à fournir la puissance réactive de magnétisation du moteur et celle nécessaire de la commutation naturelle du pont onduleur. Ces condensateurs constituent un filtre à basse fréquence, ills permettent ainsi de délivrer au moteur des tensions et des courants presque sinusoïdaux. Un convertisseur supplémentaire, de type hacheur, est placé sur la boucle à courant continu pour assurer le fonctionnement du convertisseur aux fréquences faibles pendant le démarrage.

Cette technologie est disponible pour des puissances atteignant 20MW à des tensions de 7kV voire davantage par l'utilisation d'un transformateur élévateur de tension en sortie de l'onduleur. Elle est adaptée à l'entraînement de machines centrifuges (pompes, ventilateurs, et compresseurs), avec une plage de variation de vitesse usuelle de 60 à 100% de la vitesse nominale.

Nous présentons dans la page suivante, respectivement, le schéma des solutions de substitution pour le moulin et le Shredder.

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Spécifications techniques des appareils de substitution

Figure 4- 5 : Schéma de la solution de substitution de l'entraînement du moulin.

Figure 4- 6 : Schéma de la solution de substitution de l'entraînement du Shredder.

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Spécifications techniques des appareils de substitution

4.8. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons :

· décrit les modes de fonctionnement du Shredder ;

· décrit les modes de fonctionnement du moulin ;

· déterminé les puissances absorbées par le Shredder et le moulin en fonction des objectifs de production fixés ;

· déterminé les spécifications techniques des moteurs, variateurs de vitesse et réducteurs des broyeurs (moulin et Shredder ;

· enfin, en dernière partie, donné les schémas des solutions de substitution retenues.

L'analyse des schémas des figures 4.6 et 4.7 nous permet de noter la simplicité de ces derniers. En effet les systèmes sont devenus moins encombrants et plus propres.

Autres avantages notés :

· non nécessité d'affecter du personnel pour la conduite des moteurs ;

· facilité de maintenance ;

· bâtiment du moulin moins chaud et plus propre ;

· contrôle de l'énergie consommée.

Dans le prochain chapitre, nous étudierons la rentabilité de la substitution des commandes mécaniques actuelles par les commandes préconisées dans ce chapitre.