Chaîne d’énergie TCT I. Nature de l’énergie : Pour réaliser une action, la majorité des systèmes utilisent de l’énergie électrique (qui est très répandue) Ou de l’énergie pneumatique (sous forme d’air comprimé utilisé dans les systèmes industriels). 1°) L’énergie pneumatique : se caractérise par deux grandeurs ; Le débit noté Q et exprimé en m3/s La Pression notée P et exprimée en Pascal (Pa), ou en Bar (bar). C’est une force appliquée sur une P= F S 1 Pa = 1 N/m² Force en Newton: N surface; Avec 2 Surface ( m ) N et 1 bar = 105 N/m² = 105 Pa = 1 daN/cm² La puissance pneumatique (Ppneu) s’exprime en Watt (W): 2°) L’énergie électrique : se caractérise par deux grandeurs ; La Tension notée U et exprimée en Volt (V) L’intensité notée I et exprimée en Ampère (A) La puissance électrique (Pélec) s’exprime en Watt (W) : 3°) L’énergie mécanique : a) L’ ENERGIE MECANIQUE DE TRANSLATION P pneu = Q x P Watt m3/s Pascal P élec = U x I Watt Volt Ampère : se caractérise par deux grandeurs ; La vitesse de translation notée V et exprimée en mètres par seconde (m/s) La force motrice du déplacement notée F et exprimée en Newtons (N) La puissance mécanique de translation (Pméca) s’exprime en Watt (W) : b) L’ ENERGIE MECANIQUE DE ROTATION P m éca = F x V Watt : se caractérise par deux grandeurs : Newton La vitesse de rotation notée ω et exprimée en radians par seconde (rd/s) ; ω = Le couple moteur de la rotation notée C et exprimée en Newtons×mètres (N.m) La puissance mécanique de rotation (Pméca) s’exprime en Watt (W) : m/s 2.π.N 60 Vitesse de rotation en tr/min P m éca = C x ω Watt N. m rd/s Remarque : Il existe d’autres types d’énergie ; l’énergie hydraulique sous forme d’huile comprimé ; l’énergie calorifique sous forme de chaleur RENDEMENT : Lors de la transformation de l’énergie (d’une forme à une autre) on aura toujours des pertes d’énergie Ainsi un élément qui absorbe une puissance Pe à son entrée et fournit une Puissance de sortie Ps a un rendement η = Ps PE (η < 1 car Pe = Ps + Pertes) Energie de sortie (Ps) Energie d’entrée (Pe) Transformer l’énergie Pertes d énergies Elément Pour assurer des fonctions de service, beaucoup de produits utilisent une chaîne d’énergie qui apporte la quantité et La forme d’énergie au bon moment pour réaliser l’action désirée Type d’énergie Energie électrique Ou pneumatique Energie distribuée Energie mécanique Energie disponible pour réaliser l’action Présence d’ordre ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE Chaîne d’énergie Proposé par MADAK Page 1/29 Chaîne d’énergie TCT II. LA FONCTION ALIMENTER : 1°) Alimenter un produit en énergie électrique : À l’aide des « prises de courant » raccordées par des conducteurs au réseau d’alimentation en courant alternatif Les sources principales d’énergie électrique sont des centrales qui utilisent: • L’énergie hydraulique de l’eau des barrages • L’énergie Thermique classique: combustion de fuel, de charbon Raccordement au secteur • L’énergie thermique nucléaire : Fission de l’uranium 235 • L’énergie éolienne : exploitation de la force du vent Pour produire de l’énergie électrique, une turbine (une hélice) est entraînée en rotation par un débit d’eau (dans une centrale hydraulique), de la vapeur (dans une centrale thermique) ou du vent (dans une centrale éolienne), entraîne en rotation un alternateur qui produit l’électricité. A la sortie des centrales des transformateurs élèvent la tension pour transporter l’énergie électrique A l’approche du point de consommation l’énergie électrique est abaissée et distribuée sous forme d’un réseau (triphasé + Neutre: pour application industrielle. Phase + Neutre: pour application domestique) Ph1 Ph2 Ph3 380v 380v 380v 220v N 220v 220v Réseau triphasé Centrale hydraulique Centrale thermique Centrale thermique nucléaire Proposé par MADAK Page 2/29 Chaîne d’énergie TCT À l’aide d’alimentation autonome qui stocke l’énergie électrique dans : Des piles : non rechargeables Des batteries ou piles rechargeable plus économiques que les piles puisqu’ils sont rechargeables À l’aide d’alimentation locale Pile non rechargeable Des cellules photovoltaïques qui assurent la recharge Pile rechargeable des batteries pour alimenter des produit a faible consommation. Batterie d’automobile Une éolienne de petite puissance peut constituée une alimentation autonome Hélice Multiplicateur Alternateur Cellules photovoltaïques Eclairage Éolienne Régulateur Électroménager Onduleur Batteries Exemple d’alimentation locale 2°) Alimenter un produit en énergie pneumatique : À l’aide d’un compresseur d’air + réservoir d’air, un ensemble de conditionnement et un réseau d’alimentation pour acheminer l’air sous pression aux systèmes Le MANO-REGULATEUR permet de régler la pression Contrôle des seuils de pression Ordre de m arche Le FILTRE élimine Air am biant p = p atm Ensemble de conditionnement les impuretés Transformer et stocker Compresseur d’air + Réservoir d’air Air com prim é p > p atm Le LUBRIFICATEUR Pulvérise des gouttes d’huile pour graisser les éléments mobiles Symbole : Source d’énergie pneumatique Production de l’énergie Pneumatique Production de l’énergie pneumatique Proposé par MADAK Page 3/29 Chaîne d’énergie TCT III. LA FONCTION CONVERTIR : 1°) Convertir l’énergie électrique en énergie mécanique : Energie Électrique Convertir l’énergie électrique en énergie mécanique de rotation (I , U ) Energie m écanique de rotation (C , ω ) P ertes (chaleur) Moteur électrique a) MOTEUR ELECTRIQUE A COURANT CONTINU Il transforme l’énergie électrique à courant continu en énergie mécanique de rotation Symbole : M Moteur à courant continu Moteur à courant continu b) MOTEUR ELECTRIQUE A COURANT ALTERNATIF Il transforme l’énergie électrique alternative en énergie mécanique de rotation Symbole : M ∼ Moteur alternatif triphasé (Utilisé dans le domaine industriel) c) MOTEUR PAS A PAS : Moteur alternatif monophasé (Très utilisé dans les appareils domestiques)Moteur à courant alternatif Il est très utilisé dans les appareils électroniques : imprimantes ; photocopieuse ; scanner . . . Symbole : M Moteur pas à pas Moteur pas à pas Structure d’un moteur à courant continu Proposé par MADAK Page 4/29 Chaîne d’énergie TCT 2°) Convertir l’énergie pneumatique en énergie mécanique : a) VERIN PNEUMATIQUE Energie pneum atique (P , Q ) Convertir l’énergie pneumatique en énergie mécanique de translation Energie m écanique de translation (F, V) P ertes (chaleur) Vérin pneumatique On distingue principalement deux types de vérin : Double effet et simple effet a- 1 ) VERIN DOUBLE EFFET Dans un vérin double effet; l'air comprimé alimente les deux chambres alternativement. Un système que nous étudieront ultérieurement permet de vider une chambre pendant que l'autre se remplit. Orifice arrière Orifice arrière Orifice avant Tige M ini vérin P iston Orifice arrière Corps Orifice avant Vérin standard Piston Tige Symbole : Cham bre avant Cham bre arrière Fonctionnement Cham bre arrière reliée à l’échappem ent Cham bre avant reliée à la source de pression Pour rentrer la tige Proposé par MADAK Cham bre avant reliée à la source de pression Cham bre arrière reliée à l’échappem ent Pour sortir la tige Page 5/29 Chaîne d’énergie TCT Un vérin double effet produit un effort dans les deux sens (sortie de la tige et rentrée de la tige). Relation effort- pression Chambre arrière reliée à la source de pression Chambre avant reliée à l’échappem ent Chambre arrière reliée à l’échappem ent Chambre avant reliée à la source de pression Force de poussée (Fpoussée) Diamètre Dpiston Force de traction (Ftraction) Diamètre Dpiston Diamètre dtige Surfaces utiles du piston subissant la pression sont différentes côté avant et côté arrière Surface utile arrière Sarrière Sarrière = π . R2 = π . D2/4 Fpoussée = P . Sarrière Surface utile avant Savant Savant = π . ( R2 - r2 ) = π . (D2 - d2 ) /4 Ftraction = P . Savant F : effort de la tige en Newton (N). P : pression du fluide en Pascal (Pa). 1 bar = 1.10 +5 Pa S : surface utile du piston (m2) a- 2) VERIN SIMPLE EFFET Dans un vérin simple effet l'air comprimé alimente seulement une chambre et produit une force dans un seul sens. Le retour en position initiale s'effectue sous l'action d'un ressort. Symbole Orifice Vérin simple effet Tige sortante R essort de rappel Piston Vérin simple effet Tige rentrante Cham bre avant Fonctionnement Chambre arrière reliée Chambre arrière reliée à l’échappem ent à la source de pression Force de pousseé (Fpoussée) Proposé par MADAK Cham bre arrière Retour sans force Sous l’action du ressort Page 6/29 Chaîne d’énergie TCT Structure d’un vérin simple effet et double effet b) VERIN ROTATIF Energie pneum atique Convertir l’énergie pneumatique en énergie mécanique de rotation (p, q) Energie m écanique de rotation (C, ωs) P ertes (chaleur) Vérin rotatif Vérin rotatif Symbole : P erceuse : visseuse - dévisseuse Utilisant un Vérin rotatif Moteur pneumatique Alimentation en air comprimé Vers l’échappement Principe d’un vérin rotatif C) GENERATEUR DE VIDE Energie pneum atique (p, q) : Convertir l’énergie pneumatique (p>patm) en énergie pneumatique (p<patm) Energie pneum atique (p, q) P ertes (chaleur) Générateur de vide Proposé par MADAK Page 7/29 Chaîne d’énergie TCT Principe effet Venturi L’air comprimé, en passant dans l’étranglement prévu à l'intérieur provoque une accélération du flux d'air qui provoque une dépression qui aspire l’air dans l’espace étanche ventouse - objet la ventouse Générateur de vide = Air comprimé + Air aspiré Air aspiré objet Symbole IV. LA FONCTION DISTRIBUER : 1°) Le contacteur électrique Le contacteur permet : d’établir ou interrompre un fort courant électrique ainsi que : La commande à distance d’un circuit électrique sans effort manuel, L’automatisation des machines de production et l’amélioration de la sécurité de fonctionnement. Ordres de commande énergie électrique disponible (U, I ) Symbole Fonctionnement énergie électrique distribuée Distribuer l’énergie électrique (U, I ) P ertes (chaleur) Contacteur électromagnétique Contacteur Contacteur Un contacteur électromagnétique est constitué par : * Un électro-aimant (bobine + noyau de fer) qui attire des contacts mobiles lorsqu’il reçoit un courant de la partie commande. * Plusieurs contacts à établissement du circuit (contacts de puissance) Proposé par MADAK Page 8/29 Chaîne d’énergie TCT Position de repos Position de travail La bobine ne reçoit pas l’ordre de commande (elle n’est pas alimentée) tous les contacts sont ouverts ; le moteur n’est pas alimenté La bobine reçoit l’ordre de commande (elle est alimentée) tous les contacts sont fermés ; le moteur est alim enté 2°) Distributeur électropneumatique : Energie pneum atique en provenance du com presseur (p, q) Ordre de commande électrique Energie pneum atique distribuée Distribuer l’énergie pneumatique (p, q) P ertes (chaleur) Distributeur Ils permettent d'alimenter les vérins pneumatiques vus précédemment. a) DISTRIBUTEUR 5/2 (pour vérin double effet) Il possède : * 5 orifices : 1 pour l'arrivée de pression (vers la source de pression), 2 pour l'utilisation (Vers vérin), 2 pour l'échappement * 2 positions : 1 de repos, 1 de travail Vers vérin Constitution Tiroir Commande manuelle Commande manuelle 2 4 échappem ent Com m ande m anuel Orifices Symbole 2 cases ⇔ 2 positions Té d’obturation 3é c Source de pression 5 1 Distributeur 5/ 2 2 orifices d’utilisation Vers vérin Voie de circulation Le sens est indiqué par la flèche 2 orifices d’échappement Orifice relié à la source de pression Distributeur 5/2 Proposé par MADAK Page 9/29 Chaîne d’énergie TCT La position du tiroir permet d’orienter la circulation du fluide dans le distributeur. Position 2 Position 1 é c h a Source de pression échappem ent échappem ent Source de pression Fonctionnement Principe de fonctionnement d’un distributeur 5/2 Commande du distributeur A chaque position du tiroir est associée une commande qui peut être un électro-aimant, un ressort, ... Commande par ressort Si le distributeur possède une seule commande d'un coté et un ressort de l'autre il est dit m onostable (a une position stable commandée par le ressort lors qu’il n’y a pas d’ordre de commande) Commande par électro-aimant Si le distributeur possède une commande de chaque coté il est dit bistable (a deux positions stables lors qu’il n’y a pas d’ordre de commande) Position com m andée par Un ressort (position stable) Distributeur 5/2 m onostable Distributeur 5/2 bistable P osition com m andée par Un électro-aim ant b) DISTRIBUTEUR 4/2 (pour vérin double effet) Il possède : * 4 orifices : 1 pour l'arrivée de pression (vers la source de pression), 1 pour l'utilisation (Vers vérin), 2 pour l'échappement * 2 positions : 1 de repos, 1 de travail Symbole : Distributeur 4/2 Proposé par MADAK Page 10/29 Chaîne d’énergie TCT Fonctionnement Position 1 Position 2 c) DISTRIBUTEUR 3/2 (pour vérin simple effet) Il possède : * 3 orifices : 1 pour l'arrivée de pression (vers la source de pression), 1 pour l'utilisation (Vers vérin), 1 pour l'échappement * 2 positions : 1 de repos, 1 de travail Symbole : Distributeur 3/2 Fonctionnement : Position1 Position2 Le pilotage des distributeurs est réalisé par des commandes pneumatiques, électriques, manuelles ou mécaniques. Type de pilotage les plus courants : Commande manuelle BP levier d) EXEMPLES D’ UTILISATION Proposé par MADAK Commande Commande mécanique pneumatique galet ressort pression Commande électrique bobine électrovanne DE VERINS Page 11/29 Chaîne d’énergie TCT V. LA FONCTION TRANSMETTRE : Transmettre l’énergie mécanique consiste à : Adapter l’énergie mécanique ou Transformer l’énergie mécanique Transmettre l’énergie mécanique Adapter l’énergie mécanique On adapte l’énergie mécanique lorsqu’on modifie ses caractéristiques. Exemple : réduction de la vitesse de rotation Transformer l’énergie mécanique On transforme l’énergie mécanique lorsque l’on modifie la nature du mouvement. Exemple : Rotation Translation 1°) Adapter l’énergie mécanique a) ENGRENAGES CYLINDRIQUES A DENTURES DROITES Energie m écanique de rotation Energie m écanique de rotation Adapter l’énergie mécanique de rotation (Ce, ωe) (Cs, ωs) P ertes (chaleur) Symbole Engrenages cylindriques ∅ D sortie ∅ D entrée Zsortie Dents Rapport de réduction r = ω sortie = N sortie D entrée = Z entrée Z entrée Dents = N entrée D sortie Z sortie ω entrée ω : Vitesse angulaire d’une roue en rad/s N : Vitesse de rotation d’une roue en tr/min D : Diamètre d’une roue Z : Nombre de dents d’une roue Le rapport de réduction est fonction du Nombre de dents des roues de l’engrenage. b) POULIES COURROIE Energie m écanique de rotation (Ce, ωe) Energie m écanique de rotation Adapter l’énergie mécanique de rotation Poulie de sortie (Cs, ωs) (Diamètre D entrée) P ertes (chaleur) Poulie d’entée Système poulies courroie Symbole : Rapport de réduction r = ω sortie ω entrée = ( diamètre D sortie) N sortie N entrée D entrée = D sortie ω : Vitesse angulaire d’une roue en rad/s N : Vitesse de rotation d’une roue en tr/min D : Diamètre d’une roue Courroie Poulie de sortie Le rapport de réduction est fonction des diamètres des poulies Poulie d’entée Proposé par MADAK Page 12/29 Chaîne d’énergie c) ROUE TCT ET VIS SANS FIN Energie m écanique de rotation (Ce, ωe) Energie m écanique de rotation Adapter l’énergie mécanique de rotation (Cs, ωs) P ertes (chaleur) Symbole : Symbole : Système roue et vis sans fin Rapport de réduction ω sortie r = N roue = ω entrée Z vis nombre de filets Vis sans fin Z vis = N vis Z roue ω : Vitesse angulaire d’une roue en rad/s N : Vitesse de rotation d’une roue en tr/min D : Diamètre d’une roue Z vis : Nombre de filets du vis ; Z roue : Nombre de dents de la roue Z roue Dents Le rapport de réduction est fonction du nombre de filets de la vis sans fin et du nombre de dents de la roue dentée. d) ENGRENAGES CONIQUES DENTURES DROITES Energie m écanique de rotation (Ce, ωe) Energie m écanique de rotation Adapter l’énergie mécanique de rotation (Cs, ωs) P ertes (chaleur) Symbole : Engrenages coniques Rapport de réduction r = ω sortie ω entrée N sortie = D entrée = N sortie Z entrée = N entrée D sortie ω : Vitesse angulaire d’une roue en rad/s N : Vitesse de rotation d’une roue en tr/min D : Diamètre d’une roue Z sortie Z sortie Z entrée N entrée Le rapport de réduction est fonction des Nombre de dents des roues de l’engrenage 2°) Transformer l’énergie mécanique a) SYSTEME A LEVIER Transformer l’énergie Energie m écanique mécanique de translation en de translation énergie mécanique de rotation (Ve, Fe) b) SYSTEME (Ce, ωe) . (ωS, Cs) P ertes (chaleur) Levier Système à levier VIS ECROU Energie m écanique de rotation Energie m écanique de rotation Transformer l’énergie mécanique de rotation en énergie mécanique de translation Energie m écanique de translation (FS, Vs ) P ertes (chaleur) Système vis écrou d= pθ Déplacement (m) Proposé par MADAK Pas (m) Nombre de tours (tour) Page 13/29 Chaîne d’énergie TCT c) POULIES- COURROIE (TAPIS ROULANT) Energie m écanique de rotation Energie m écanique Transformer l’énergie de translation mécanique de rotation en (Vs, FS) énergie mécanique de P ertes (chaleur) translation Système vis écrou d) SYSTEME BIELLE MANIVELLE Energie m écanique de rotation (ωe, Ce) Transformer l’énergie mécanique de rotation en énergie mécanique de translation alternative Energie m écanique de translation Alternative (Vs, Fs) P ertes (chaleur) Système vis écrou Cylindre Piston Bielle Manivelle D=2.e d) PIGNON CRAIMALLAIRE Energie m écanique de rotation (ωE, Ce) Transformer l’énergie mécanique de rotation en énergie mécanique de translation Energie m écanique de translation (Vs, Fs) P ertes (chaleur) Système vis écrou Proposé par MADAK Page 14/29
