Section : GÉNIE ÉLECTRIQUE L`ATELIER DE SOUDAGE D`UN
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AGRÉGATION SESSION 2010 CONCOURS INTERNE Section : GÉNIE ÉLECTRIQUE Option B : ÉLECTROTECHNIQUE ET ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE ÉTUDE D’UN SYSTÈME INDUSTRIEL DUREE : 8 HEURES, COEFFICIENT : 1 Calculatrice autorisée (conformément à la circulaire n° 99-186 du 16 novembre 1999) Aucun document n'est autorisé L'ATELIER DE SOUDAGE D'UN GRAND CONSTRUCTEUR AUTOMOBILE Ce sujet comporte 3 dossiers distincts : Dossier de présentation, texte du sujet avec le travail demandé Documents réponses DR Documents techniques (DTA à DTE) 27 pages 4 pages 40 pages le sujet se décompose en cinq parties indépendantes: - A- l'étude du soudage par points B- l'étude du circuit électrique des soudeuses C- l'étude du système de serrage des pinces D- alimentation en énergie d'une partie de l'atelier tôlerie E- communication Une lecture préalable et complète du sujet est indispensable. Il sera tenu compte de la cohérence avec laquelle les candidats traiteront chaque partie, le jury préférant une réflexion d’ensemble de la partie abordée à un éparpillement des réponses. Les candidats sont invités à numéroter chaque page de leur copie et à indiquer clairement le numéro de la question traitée. Les candidats sont priés de rédiger les différentes parties du problème sur feuilles séparées et clairement repérées. Chaque question est identifiée par une police gras et repérée par un numéro. Il leur est rappelé qu’ils doivent utiliser les notations propres au sujet, présenter clairement les calculs et dégager ou encadrer tous les résultats. Tout résultat incorrectement exprimé ne sera pas pris en compte. En outre les correcteurs leur sauront gré d’écrire lisiblement et de soigner la qualité de leur copie. Il sera tenu compte de la qualité de rédaction, en particulier pour les réponses aux questions ne nécessitant pas de calcul. Le correcteur attend des phrases complètes respectant la syntaxe de la langue française. Pour la présentation des applications numériques, il est rappelé que lors du passage d’une forme littérale à son application numérique, il est recommandé aux candidats de procéder comme suit : - après avoir rappelé la relation littérale, chaque grandeur est remplacée par sa valeur numérique en respectant la position qu’elle avait dans la relation puis le résultat numérique est donné sans calculs intermédiaires et sans omettre son unité. Si le texte du sujet, de ses questions ou de ses annexes, vous conduit à formuler une ou plusieurs hypothèses, il vous est demandé de la (ou les) mentionner explicitement dans votre copie. Page 1 sur 26 PRESENTATION DU CONTEXTE ET DE LA PROBLEMATIQUE Un grand constructeur automobile fabrique dans une de ses usines un modèle de voiture très répandu suivant le processus suivant La chaîne de production, très automatisée permet de fabriquer une voiture en 30h La cadence de production est de 2400 véhicules par jour. La flexibilité de cette chaîne de production permet la fabrication de plus de 250 variantes de ce véhicule en fonction des options qu'a choisies le client. Page 2 sur 26 Nous nous intéressons plus particulièrement à l'atelier de tôlerie. L'atelier de tôlerie a une superficie de 70000 m². Il reçoit les différentes tôles issues de l'atelier d'emboutissage et les assemble par soudage pour constituer la caisse de la voiture et les différents accessoires tels que les portes, les coffres, etc… L'assemblage terminé est contrôlé en fin de chaîne avant d'être expédié vers l'atelier de peinture. 1300 personnes y travaillent en 3 équipes. Capacité de production : 2400 caisses par jour. Nombre moyen de pièces de tôlerie par caisse : 400. Taux d’automatisation : 98%. 830 robots assurent la manutention et l’assemblage des unités et de la caisse. Quelques 800 soudeuses par points installées tout le long de la chaîne réalisent plus de 4000 points de soudure par caisse. Ces soudeuses sont, pour la plupart, embarquées sur un robot et réalisent les points de soudure sur la caisse, c'est le robot qui positionne la soudeuse pour chaque point de soudure Les autres, fixes, réalisent les points de soudure sur les petites pièces que leur présentent des robots de manutention. Cet atelier est alimenté en énergie par trois réseaux 20 kV différents: - un réseau spécial pour les soudeuses - un réseau spécial pour les robots et les automatismes - un réseau d'éclairage - l'ensemble étant issu du réseau 90 kV propre à l'usine. Page 3 sur 26 L'échauffement produit par les soudeuses est important ; un réseau hydraulique (en circuit fermé) spécifique à cet atelier fournit à chaque soudeuse l'eau déminéralisée nécessaire à son refroidissement. Cette eau est stockée dans une bâche. Le refroidissement de cette eau est assuré par une tour d'évaporation. Le débit global maximum de ce réseau hydraulique est de 10 m3 / min, il assure la fourniture d'eau froide à 20°. L'eau récupérée en sortie d'atelier est à une température d'environ 30°C. Problématiques abordées dans ce sujet Fabriqué depuis 13 ans dans cette usine (compte tenu des évolutions successives), ce modèle de voiture arrive à son terme. Les services techniques (travaux neufs, développement et maintenance) préparent la fabrication d'un nouveau type de véhicule sur cette même chaîne. Ceci entraîne des modifications importantes du processus de fabrication et de l'outillage. Pour l'atelier de tôlerie, des modifications sont à prévoir au niveau - des supports de pièces (mécanique) - des programmes des robots (trajectoire) - des réglages de soudeuses existantes - de l'installation de nouvelles soudeuses par points - des infrastructures telles que l'alimentation en énergie. Or depuis 10 ans la technologie a évoluée et les enjeux économiques ont été modifiés. Il est donc intéressant de partir d'un état des lieux existant, d'étudier les nouvelles solutions que proposent les constructeurs pour établir des critères de choix économiques judicieux. Page 4 sur 26 PARTIE A: GENERALITES SUR LE SOUDAGE PAR POINTS Choisir une solution technologique répondant à un cahier des charges nécessite de connaître le procédé de fabrication mis en jeu ainsi que les paramètres influents. Dans cet objectif, cette partie étudie plus particulièrement comment se fait un point de soudure et comment certains paramètres influent sur la qualité d'un point de soudure. Se référer au dossier technique DTA. Remarque préliminaire: le modèle considéré est un modèle très simplifié dans lequel on ne tiendra pas compte - des échanges thermiques avec l'extérieur (durée très faible) - des non linéarités des caractéristiques des composants électriques (en particulier avec la température et l'état de la matière) - des échanges d'énergies interactifs - la dispersion des lignes de courant dans le métal. A-I- Fusion des tôles sous les électrodes : A partir des propriétés géométriques du volume concerné et des propriétés des matériaux donnés dans le dossier technique A-I-1. Donner l’expression de la résistance électrique que présentent les tôles au passage du courant: Rt1+ Rt2 en fonction des paramètres électriques et géométriques de l’ensemble « tôles+électrodes » On appellera le diamètre de l'électrode d et l'épaisseur d'une tôle e A-I-2. Courbe de réglage Ieff = f(Dt) La quantité de chaleur (Q en J) nécessaire pour porter un matériau à sa température de fusion est fonction de ses paramètres physiques Q = m .[ c . (Tfusion − Tambiante ) + Qf ] Où - m est la masse en kg - c est la chaleur massique en J/kg/°C - Qf est la chaleur latente de fusion (sans échange thermique avec l'extérieur) cette quantité de chaleur est apportée par effet Joule - Etablir la relation Ieff = f(Dt,S) Où - Ieff est l'intensité efficace du courant qui passe dans les tôles - Dt est la durée de passage du courant qui permet d'atteindre la fusion des tôles - S est la section de la surface de contact de l'électrode. Page 5 sur 26 AN: tracer cette courbe pour Dt variant de 100 ms à 500 ms On prendra - une électrode de diamètre d = 6 mm - une épaisseur de tôle e = 1 mm - Tambiante = 40°C - r = 14 mW.cm pour tenir compte de la variation importante de la mW température pendant l’échauffement Pour la suite, les paramètres de soudage sont les suivants: - épaisseur totale de tôles à souder: 2 mm - Ieff = 10 kA - ∆t= 400 ms - Fs (effort de serrage) = 240 daN Comportement de la zone de contact tôle – tôle. Justifier sans calcul les affirmations suivantes. A-I-3. La résistance de contact Rc3 a une valeur importante par rapport à la résistance des tôles. A-I-4. La fusion commence toujours dans cette zone. A-I-5. La résistance de contact décroît très vite et la durée de cette phase est très courte (en pratique inférieure à 20 ms). A-I-6. Il faut appliquer un effort de serrage déterminé (ni trop fort ni trop faible) sur les tôles. Comportement de la zone de contact électrode - tôle Justifier sans calcul les affirmations suivantes. A-I-7. Les résistances de contact Rc1 et Rc2 ont une valeur faible par rapport à Rc3 A-I-8. En cours de soudage, la température superficielle peut atteindre quelques 600°C, la structure de l'électrode en cuiv re va se modifier au fur et à mesure des soudures qu'elle réalise: - la surface de contact va augmenter - la résistivité va augmenter à cause de la présence du zinc à la surface des tôles à souder. Préciser les incidences de ces phénomènes sur la qualité des points de soudure et sur la durée de vie des électrodes. Tension entre électrodes: A-I-9. Calculer la valeur efficace de la tension à appliquer entre les électrodes pour réaliser un point de soudure en supposant que les tôles ne sont que résistives. Page 6 sur 26 La qualité du point de soudure: En pratique, une certaine tolérance de réglage des 3 paramètres (Ieff, Dt et effort de serrage) est possible. A-I-10. Remplir le tableau du document réponse DR1 en indiquant les effets indésirables observés lorsqu’on s’écarte trop des réglages optimaux. A-II- Procédé A partir du chronogramme (cf DTA fig 4 et page 3) détaillant les différentes phases du procédé, construire un Grafcet de macrodescription. A-III- Le refroidissement en soudage par résistance A-III-1 Justifier la présence de deux circuits de refroidissement par soudeuse (cf DTA fig 8). A-III-2 Calculer la puissance évacuée par l'eau de refroidissement pour chaque soudeuse (cf DTA page 6 ) On prendra c (chaleur massique de l'eau) = 4180 J / kg / °C. A-III-3 En déduire la puissance totale dissipée par l’ensemble des soudeuses de l'atelier de soudage (cf présentation du contexte et de la problématique). Page 7 sur 26 PARTIE B: LE CIRCUIT DE PUISSANCE DE LA SOUDEUSE Valider une nouvelle solution technologique nécessite : - la maîtrise du principe de fonctionnement - La connaissance des critères de performances d’une solution existante afin d’établir une comparaison des deux solutions. Cette partie permettra de valider la structure de la soudeuse par points dite « 1000 Hz ». Se référer aux dossiers techniques DTB1 et DTB2. PARTIE B1: ETUDE DU MODULATEUR D'ENERGIE DE LA SOUDEUSE "50 HZ": PRESENTATION La structure matérielle d’une soudeuse «50 Hz » est donnée figure 1 du DTB1. Cette structure est fiable et éprouvée par l’entreprise dans ses différents ateliers. Elle constitue actuellement la majorité des équipements de soudage. Pour la soudeuse étudiée, cette structure comprend : -l’alimentation électrique : 400 V prise entre 2 phases -le modulateur d’énergie (F1) : gradateur monophasé à thyristors -le transformateur de soudage (F2) : valeurs efficaces de *la tension primaire nominale U1n = 400 V *la tension secondaire à vide U20 = 13,5 V *l’intensité du courant secondaire en régime permanent I2np = 7,4 kA *l’intensité du courant secondaire ponctuellement admissible lors des essais électrodes serrées I2 cc = 23 kA -les électrodes (F3): électrode fixe électrode mobile -la commande programmable de soudage « CPS » (F4) ; elle gère le réglage des intensités de soudage les cycles de soudage l’effort de serrage les informations de contrôle et de surveillance des défauts la communication avec le robot. Page 8 sur 26 ETUDE L’objectif de l’étude est : B1-I - d’identifier et de caractériser les constituants de la chaîne de puissance à partir d’essais sur site B1-II - de vérifier les performances de la soudeuse B1-III - d’identifier la pollution harmonique engendrée par l’atelier de soudage. B1-I MODELISATION de l’ensemble « TRANSFORMATEUR + ELECTRODES » cf DTB1 La modélisation du circuit électrique s’effectue à partir de relevés lors -d’un essai à vide sous tension primaire nominale -d'un essai en court circuit (pinces serrées sans tôles). Les résultats des essais sont consignés dans le DTB1 B1-I-a. Déterminer Zs , module de l’impédance du modèle équivalent de la soudeuse représenté figure 2 du DTB1 B1-I-b. En déduire Zp , module de l’impédance du modèle équivalent de la soudeuse représenté figure 3 du DTB1 B1-I-c. On désigne par : y : l’angle de retard à l’amorçage des thyristors référencé par rapport aux passages par 0 de la tension d’alimentation u1(t) f : l’argument de l’impédance Zp - Montrer que l’expression du courant primaire i1 (t) peut se mettre sous la forme : − Rp t −ψ i1 (t ) = Ae Lp ω + (B(sin (ωt − ϕ ))) ψ π +ψ ≤t ≤ dans l’intervalle ω ω - Exprimer A et B en fonction de U1m , Zp , yet B1-I-d. Exprimer en fonction de Rp et Zp B1-I-e. En déduire la valeur de ψ pour laquelle la conduction des thyristors devient continue. A l’aide du DTB1 (§ commande programmable de soudage) B1-I-f. Relever En déduire les valeurs de Rp et Lpw à 50 Hz B1-I-g. Relever la valeur maximale de ψ Justifier la nécessité de cette butée vis-à-vis du courant de maintien ( Ithhold ) des thyristors. Page 9 sur 26 B1-II VERIFICATION DES PERFORMANCES DE SOUDAGE DONNEES Le circuit étudié est représenté figure 4 du DTB1. Pour la suite du problème, on prendra les valeurs suivantes -la résistance équivalente ramenée au primaire de l’ensemble « transformateur+électrodes » Rp vaut 0,5 W -la réactance équivalente ramenée au primaire de l’ensemble « transformateur+électrodes » Lpw vaut 0,2 W à 50 Hz -la résistance moyenne totale des tôles vue du secondaire Rto vaut 265 mW -la réactance des tôles est négligeable -le cycle de soudage type est représenté figure 5 du DTB1 -la variation relative à la valeur efficace nominale de la tension primaire U1n est limitée à + / -10% B1-II-a. Calculer Rpt et Lptw à 50 Hz, respectivement résistance et inductance totales ramenées au primaire du transformateur B1-II-b. En déduire : - Zpt , module de l’impédance totale ramenée au primaire - , argument de Zpt B1-II-c. L’expression de i1(t) établie en B1-I-b- peut aussi s’écrire : R pt ψ (t − ) Lpt ω i1(t ) = C . sin(ωt − ϕ ) − sin(ψ − ϕ ).e Les allures de i1(ωt) et uT(ωt) sont représentées figure 6 du DTB1. On désigne par θ 1 l’angle correspondant à l’extinction du courant i1 . Montrer que la valeur de θ 1 est régie par la relation : θ1 ψ sin(θ1 − ϕ )e tgϕ = sin(ψ − ϕ )e tgϕ B1-II-d. Etablir l’expression de UT , valeur efficace de la tension primaire du transformateur en fonction de : -U1 valeur efficace de la tension d’alimentation réseau -θ 1 -ψ ψ B1-II-e. A l’aide de la figure 7 du DTB1, déterminer la plage de réglage de ψ permettant d’atteindre la valeur efficace du courant de soudage de 12 kA quelque soit U1 B1-II-f. Déterminer l'évolution de cette plage de réglage en tenant compte de la loi de compensation d’usure des électrodes (cf DTB1). B1-II-g. Le cycle de soudage décrit figure 5 du DTB1 prévoit 15 alternances maximum pour 1 point de soudure. Page 10 sur 26 Vérifier que les conditions de fonctionnement imposées par ce cycle n’entraînent pas un échauffement excessif du transformateur (cf DTB1). B1-II-h. A l’aide du DTB1 - calculer le facteur de marche FM de la soudeuse ; - vérifier que l’intensité du courant équivalent thermique Ith est inférieure à la valeur nominale du courant secondaire I2np du transformateur. * Le temps de repos correspond au rodage et à l’évacuation des pièces entre 2 cycles de 300 points : il est en moyenne de 30 s. * On négligera l’effet de la compensation d’usure d’électrodes. B1-III GENERATION D’HARMONIQUES DE COURANT Le service « distribution électrique » de l’atelier de soudage veut identifier, par type de soudeuse, la pollution harmonique engendrée en cours de fonctionnement. L’ensemble « soudeuse+transformateur+tôles » est modélisé par le schéma de la figure 8 du DTB1. La figure 9 du DTB1 représente l’évolution de la valeur efficace du fondamental et des premiers harmoniques de la tension primaire du transformateur uT. Pour la suite du problème, on prendra les valeurs suivantes : -la consigne de courant de soudage Ic est de 12 kA (on ne tient pas compte de la compensation d’usure des électrodes) ; dans ce cas, l’angle ψ a une plage de variation de [60° , 90°] -la résistance équivalente ramenée au primaire de l’ensemble « transformateur+électrodes+tôles » Rpt vaut 0,75 W -la réactance équivalente ramenée au primaire de l’ensemble « transformateur+électrodes » Lptw vaut 0,2 W à 50 Hz. La valeur efficace des harmoniques de tension est proportionnelle à celle de la tension d’alimentation U1 L’étude est limitée aux harmoniques jusqu’au rang 9. Rappel : l’angle ψ varie avec les fluctuations du réseau. B1-III-a. - Déterminer les valeurs du fondamental et des harmoniques de tension de la tension uT relatifs à la valeur efficace de la tension U1=400 V et appelés F% , H3% , H5% , H7% et H9% pour les valeurs de ψ suivantes : 60°, 70°, 80°et 90°. - Reporter les valeurs dans le document réponse DR2 Page 11 sur 26 B1-III-b. - En déduire, pour la valeur de ψ égale à 80° (valeur efficace U 1 ≈ 400 V) et pour une valeur efficace du courant I1 de 405 A, les valeurs du fondamental et des harmoniques de courant appelés IF , IH3 , IH5, IH7 et IH9. - Reporter les valeurs dans le document réponse DR3. - Tracer le spectre harmonique de courant. B1-III-c. Calculer pour ψ= 80°, le taux de distorsion harmonique TDHI% relat if à la valeur efficace I1 IH 32 + IH 52 + IH 7 2 + IH 92 I1 Les dispositions constructives prises par l’entreprise pour - réduire les harmoniques renvoyés au réseau - relever le facteur de puissance global d’une ligne de soudage Sont : • l’alimentation 400 V des soudeuses entre phases • la répartition équilibrée des soudeuses d’une ligne de production sur les 3 phases • une compensation globale par batterie de condensateurs au secondaire du transformateur d’alimentation HTA/BTA. on rappelle que TDHI % = 100. B1-III-d. - Justifier ces dispositions. Page 12 sur 26 PARTIE B2: ETUDE DU MODULATEUR D'ENERGIE DE LA SOUDEUSE « 1000Hz » (PARTIE PEDAGOGIQUE) Introduction : L’évolution technologique des soudeuses dans la gamme de puissance utilisée dans l’entreprise (50 – 100kVA) tend à développer les structures de soudeuse dite « 1000 Hz ». Le principe de fonctionnement et les avantages liés à l’utilisation de ces soudeuses sont développés dans le dossier technique DTB2. Travail demandé : A partir de ces documents et à l’aide des extraits du référentiel du BTS Electrotechnique, développer une séquence pédagogique, comportant au moins 2 séances (essais de systèmes et génie électrique) et permettant de : - démontrer la pertinence des arguments développés par les concepteurs des soudeuses 1000 Hz - mettre en évidence les avancées technologiques réalisées - cerner les limites actuelles de la mise en œuvre des soudeuses 1000 Hz. Les points suivants seront abordés dans le développement de la séquence pédagogique : - concept(s) abordé(s) et niveau taxonomique visé - activités concernées (génie électrique, essais de systèmes) - stratégie pédagogique: situation de la séquence dans une progression cohérente - durée des séances composant la séquence - nature des activités (cours / synthèse, TP , TD) - zones d'activités, matériels et équipements utilisés - coordination des séances si plusieurs activités - évaluations (préciser les items évalués) Page 13 sur 26 PARTIE C: SYSTEME DE SERRAGE DES ELECTRODES Valider une nouvelle solution technologique nécessite : - la maîtrise du principe de fonctionnement - la connaissance des critères de performances d’une solution existante Cette partie conduira à améliorer le système de serrage des électrodes: Se référer aux dossiers techniques DTC1 et DTC2 PARTIE C1: MOTORISATION PAR VERIN - le déplacement est assuré par un vérin double effet à commande TOR par électro-distributeur monostable 5/2 - l'effort de serrage est réglé par la pression - la valeur de la pression est contrôlée par une vanne proportionnelle (commande 0-10V, échelle de pression 0-10 bars) La figure 1 du DTC1 représente la fonction de transfert P = f (uc) avec : -P : pression de sortie du régulateur en bars -uc : tension de commande issue de la CPS. L’effort de serrage F peut varier de 130 à 525 daN selon les séquences de soudage. L’effort de soudage moyen vaut 400 daN. L’effort de serrage maximum est de 640 daN pour 10 bars. C1-I C1-II A l’aide du DTC1, déterminer le diamètre et la section du piston du vérin. Déterminer : - le taux de charge moyen du vérin: Tcm en % - le taux de charge maximum du vérin TcM en % - la valeur maximale de la tension de commande du régulateur UcM. On rappelle que: Effort moyen Tcm% = .100 Effort max imum disponible TcM % = Effort max imum .100 Effort max imum disponible C1-III - Construire la fonction de transfert de l'effort de serrage en fonction de la tension de commande Fs = f(uc) pour la plage de réglage (130-525 bars). - En déduire l’incertitude maximale ∆Fs en daN liée au réglage de Fs. C1-IV Etablir le schéma de raccordement pneumatique du régulateur, de l’électrodistributeur et du vérin. C1-V Proposer une solution technique industrielle qui permet d'atteindre la précision requise (5%) sur toute la plage de fonctionnement. Page 14 sur 26 PARTIE C2: MOTORISATION PAR MOTEUR ELECTRIQUE Cette partie permet à l'utilisateur de choisir les options de l'équipement proposées par le constructeur en fonction de ses besoins. Ce moteur est du type synchrone autopiloté d'indice de protection IP55 refroidi à l'eau C2-I Le cycle de fonctionnement. Compléter le chronogramme du document réponse DR4 (vitesse, accélération et effort de serrage) (loi de vitesse en trapèze pendant les déplacements, l'accélération et la décélération ont les mêmes valeurs absolues). C2-II Les caractéristiques du mouvement de la pince. C2-II-a Calculer la longueur L du déplacement de l'électrode (cf DTC2 fig. 3). Pour la suite des calculs, on prendra L=200mm. C2-II-b Calculer l'accélération et la vitesse de croisière de l'électrode pour respecter le cycle de fonctionnement imposé. C2-III Les caractéristiques mécaniques du moteur. (cf DTC2 §II) On négligera les pertes mécaniques par frottement Le moment d'inertie équivalent à l'ensemble des pièces en mouvement ramené sur l'arbre du moteur (rotor compris) Jeq est estimé à 1400.10-3 kg.m². C2-III-a Définir les grandeurs qui permettront de choisir le moteur parmi les deux propositions du constructeur. C2-III-b Donner les expressions littérales des grandeurs définies dans la question précédente. Calculer les valeurs numériques correspondantes. En déduire le moteur le mieux adapté. C2-IV Les caractéristiques du codeur de position La position finale de l'électrode mobile doit être précise (+ / - 0,2 mm) Cette précision est définie par le codeur de position placé sur le rotor du moteur. 1. Choisir le codeur parmi les 2 propositions du constructeur (cf DTC2 §II). 2. En déduire la fréquence maxi des impulsions. C2-V Solution adoptée par le constructeur de la soudeuse. Pour la suite du problème, on admettra que c'est le moteur B qui est choisi. C2-V-a Le moteur. Recenser les avantages de ce type de moteur dans cette application. Page 15 sur 26 C2-V-b La structure du variateur de vitesse: circuit de puissance. Le variateur de vitesse alimente le moteur en tension triphasé de type MLI, il permet la récupération de l'énergie lors du freinage sur le réseau d'alimentation et un fonctionnement à facteur de puissance unitaire côté réseau. - Donner un exemple de structure de ce circuit depuis le réseau triphasé 400V jusqu'aux enroulements du moteur. C2-V-c La structure du variateur de vitesse: circuit de contrôle Le document réponse DR5 présente le schéma fonctionnel de l'ensemble moteur - variateur du point de vue "commande". Remarque: le système d'autopilotage n'est pas détaillé sur ce schéma. C2-V-c-1 Autopilotage: - Préciser la fonction du resolver C2-V-c-2 Régulation du courant: - Localiser par un trait de couleur la boucle de régulation du courant sur DR5. - Indiquer le type d'action du régulateur. - Préciser la valeur de la limitation de courant qu'il faut programmer dans cette application pour un couple max de 10 Nm. C2-V-c-3 Régulation de la vitesse: - Identifier sur DR5 la boucle de régulation de vitesse. - Indiquer le type d'action du régulateur. - Indiquer les variables de réglage affectées à ce régulateur et le rôle de chacune d'elles. - Identifier le capteur de vitesse. - Préciser la nature du signal de sortie de ce capteur. - Préciser la variable de limitation de vitesse. C2-V-c-4 Régulation de la position: - Identifier sur DR5 la boucle de régulation de position. - Indiquer le type d'action du régulateur. - Identifier le capteur de position. - Que se passe-t-il si le gain Kp est trop grand? - Que se passe-t-il si le gain Kp est trop petit? Peut-on admettre un dépassement de la réponse à un échelon de consigne? Justifier la réponse. C2-V-c-5 Régulation de l'effort de serrage: solution économique On utilise la propriété qu'a le couple moteur d'être proportionnel à l'intensité absorbée par le moteur pour un moteur synchrone à aimants permanents commandé à Y=0 (isd=0), la relation est : C = Kt .i sq = 3.p.φv i sq Page 16 sur 26 avec p: nombre de paire de pôles Φv: flux rotorique - Identifier sur le DR5 ce qui fera office de boucle de régulation de l'effort de serrage. - Indiquer ce qui correspond au signal de mesure de l'effort de serrage. - Où doit-on appliquer le signal de consigne d'effort (quand la soudeuse fonctionne en phase serrage)? - Après avoir rappelé la définition de la robustesse d'un asservissement, préciser d'où peuvent provenir les dérives des paramètres. C2-V-c-6 Régulation de l'effort de serrage: solution plus précise Pour améliorer les performances (précision et robustesse), on ajoute un capteur de force pièzo-électrique délivrant un signal dont la fréquence est proportionnelle à la force mesurée. - Préciser les endroits où ce capteur peut être installé. - Compléter DR5 en intégrant cette solution. C2-V-c-7 Coefficients de mise à l'échelle "utilisateur": cf figure 4 DTC2 Pour faciliter le réglage du variateur, les paramètres à fournir sont exprimées en grandeurs "utilisateur", à savoir: -l'épaisseur totale de tôles ept en mm -la vitesse maxi de déplacement de l'électrode Vmax en mm / s - Exprimer les variables POS et VIT en fonction de L, ept et Vmax - En déduire les facteurs d'échelle pour le déplacement (Ks = Ns / Ds en impulsions / mm) pour la vitesse (Kv = Nv / Dv en impulsions / s) Remarque : Ni et Di sont des nombres entiers. Page 17 sur 26 PARTIE D: L'ALIMENTATION DE L'ATELIER DE SOUDAGE EN ENERGIE ELECTRIQUE: L’extension d’une installation nécessite de définir les potentialités du réseau d’alimentation électrique existant. Cette partie permet de vérifier s'il est possible, d'ajouter sur un tronçon d'alimentation, les 30 soudeuses "1000 Hz" nécessaires à la nouvelle chaîne de fabrication. Se référer au dossier technique DTD D-1. LE POSTE DE LIVRAISON HTB Caractéristiques de l'installation: (cf DTD fig1). D-1-1. Justifier la présence de deux arrivées 90 kV. D-1-2. Calculer et commenter la valeur du facteur de puissance de l'arrivée 1. D-1-3. Les transformateurs sont munis d'un régleur en charge, préciser son rôle. D-2. EFFET D'UNE PERTURBATION Un enregistreur branché en permanence sur le réseau 90 kV surveille les tensions et contrôle la qualité de la tension conformément au contrat signé avec EDF. Dès qu'un défaut dépassant les limites est détecté, il est enregistré. Le 31 mars 2008, un déséquilibre de tension est apparu pendant 9 périodes soit 180ms (voir cf fig 2 et 3 du DTD). D-2-1. Déterminer les composantes symétriques de tension simple produites pendant ce défaut. D-2-2. En déduire les composantes directe et inverse des tensions composées Ud et Ui. Exprimer les en pourcentage de la valeur efficace de la tension composée normale. D-2-3. En déduire l'impact qu'a eu ce défaut sur le fonctionnement - des moteurs de l'usine - de l'éclairage - des automatismes. D-3. LE RESEAU BTA SOUDURE L'étude est limitée à une portion du réseau: le tronçon "soudure caisse" (cf fig 6 du DTD) - Dans un premier temps, on étudie le comportement de ce tronçon avec les soudeuses déjà installées d'un point de vue: - puissance moyenne installée Page 18 sur 26 - facteur de puissance - chute de tension - réserve de puissance disponible. - Dans un deuxième temps, on étudie le comportement qu'aurait ce tronçon avec les nouvelles soudeuses installées. ANALYSE DE LA SITUATION EXISTANTE Ce tronçon alimente 84 soudeuses "50 Hz", chaque soudeuse est connectée aux canalis grâce à un boîtier de connexion et un câble (II + PE) de longueur 5m et de section 50 mm². En réalité: - les branchements sont répartis sur toute la longueur du tronçon - les différentes soudeuses (monophasées) sont réparties sur les trois phases pour équilibrage - toutes les soudeuses ne fonctionnent pas avec les mêmes réglages (tôles d'épaisseur différente) - les soudeuses fonctionnent de manière non synchronisée complètement aléatoire. Pour faciliter l'étude, on admettra que: - les 84 soudeuses monophasées se comportent comme 28 soudeuses triphasées équivalentes - les 28 soudeuses fonctionnent de manière aléatoire - 2 groupes de 14 soudeuses triphasées équivalentes sont branchées aux deux points du tronçon (M et M') les plus défavorables d'un point de vue impédance - toutes les soudeuses ont les mêmes caractéristiques moyennes suivantes Caractéristiques de la soudeuse "50Hz" monophasée moyenne équivalente U1n Valeur Tension primaire nominale 400 V efficace U20 Valeur Tension secondaire à vide 13,5 V efficace I2np Valeur Courant permanent de soudage (au 4,44 kA efficace secondaire) pour un facteur de marche a = 10% a Facteur de marche donnant le 10% fonctionnement nominal (15 périodes toutes les 3s) Sn Puissance apparente nominale 60 kVA I2max Valeur Courant maximum de soudage (au 13,8 kA efficace secondaire) Smax Puissance apparente maximale 186 kVA Facteur de puissance 0,8 cos f D-3-1. Caractéristiques d'une soudeuse triphasée équivalente Déterminer les caractéristiques moyennes S3n, I31n, I31max, S3max et cos f d'une soudeuse triphasée équivalente Page 19 sur 26 où - S3n est la puissance apparente nominale - I3np est le courant permanent de soudage (en ligne) pour un facteur de marche a de 10% - I3max est le courant maximum de soudage (en ligne) - S3max est la puissance apparente maximale - cos f: facteur de puissance. D-3-2. Puissance moyenne totale installée La puissance moyenne consommée par l'ensemble des soudeuses n'est pas la somme des puissances unitaires des soudeuses car elles ne fonctionnent pas toutes en même temps. - déterminer pour ce tronçon, la puissance moyenne totale que représente l'ensemble des soudeuses triphasées équivalentes Smoyeq (voir §VII du DTD) Pour la suite des calculs, on prendra Smoyeq = 1800 kVA et cos f = 0,8 . D-3-3. Le facteur de puissance. Chaque transformateur est associé à une compensation fixe de facteur de puissance de 5 batteries de condensateurs 50 kvar 410V (cf fig 6 et 7 du DTD). - vérifier que l'énergie réactive fournie par cette batterie de condensateurs est suffisante pour ramener le cos f de l'ensemble à 0,92 - Justifier le fait que la compensation de cos f soit fixe bien que le fonctionnement des soudeuses varie fortement. - Justifier l'emploi d'inductances montées en série avec ces condensateurs. D-3-4. Schéma équivalent du tronçon étudié. - Déterminer la position des deux points M et M'. - Montrer que le tronçon étudié peut se représenter par le schéma équivalent des figures 7 et 7bis du DTD. - Déterminer les impédances du réseau équivalent. D-3-5. Chute de tension maximale en cours de soudage: Pour la suite des calculs on prendra le schéma équivalent suivant, on considérera - que toutes les soudeuses sont alimentées en un même point du tronçon (P2) - que le schéma équivalent du réseau est le suivant: Page 20 sur 26 R en mΩ X en mΩ Ztr 0,735 4,253 Zcan 0,105 0,035 Zc 0,0341 0,114 La chute de tension est la somme de 3 chutes de tension: - dans le transformateur (Ztr) - dans la canalis (Zcan) - dans le câble de la soudeuse (Zc) Si la tension d'alimentation d'une soudeuse devient inférieure à Un – 10% (soit 360V), son fonctionnement est incorrect: le point de soudure est mauvais. Cette chute de tension dépend du nombre de soudeuses fonctionnant simultanément. Pour faciliter les calculs, on admettra que: - les chutes de tension dans le canalis et dans le transformateur dépendent du nombre de soudeuses fonctionnant simultanément. - I1 est la somme de 2 courants: le courant absorbé par les soudeuses et le courant absorbé par la batterie de condensateurs. - le pire des cas se produit dans les conditions suivantes: le courant de soudage est maximum (13.8kA) Nous allons calculer la chute de tension que provoque p soudeuses fonctionnant simultanément: D-3-5-a Donner la relation qui permet de déterminer la chute de tension "∆UP1" au point P1 en fonction du nombre de soudeuses "p" en fonctionnement simultané des impédances de la partie concernée du courant maximum absorbé par les soudeuses équivalentes: I3max du facteur de puissance des soudeuses équivalentes : cos f du courant réactif produit par les condensateurs: Ic D-3-5-b Donner la relation qui permet de déterminer la chute de tension totale "∆UP2" au point P2 en fonction Page 21 sur 26 du nombre de soudeuses "p" en fonctionnement simultané des impédances de la partie concernée du courant maximum des soudeuses équivalentes: I3max du facteur de puissance des soudeuses équivalentes : cos f du courant réactif produit par les condensateurs: Ic D-3-5-c Donner la relation qui permet de déterminer la chute de tension totale "D DUP3" au point P3 (aux bornes d'une soudeuse monophasée). D-3-5-d Exprimer la relation qui donne la tension U3 aux bornes d'une soudeuse monophasé en fonction de "p" ( on prendra U10 = 410V) DUP3 est de la forme ap+b - Déterminer a et b - Tracer la courbe d'évolution de la tension U3=f(p).. D-3-5-e Quelle probabilité a-t-on d'avoir des mauvais points de soudure à cause d'une tension trop faible (cf §VII.b du DTD) ? On rappelle que le nombre total de soudeuses équivalentes est de 28 D-3-5-f De quelle réserve de puissance dispose-t-on sur ce tronçon ? D-3-6. AJOUT DES 30 SOUDEUSES "1000 Hz" Caractéristiques moyennes des soudeuses triphasées "1000 Hz" à ajouter V1n Valeur Tension primaire nominale 400 V efficace I1np 45 A a Facteur de marche donnant le 10% fonctionnement nominal (15 périodes toutes les 3s) S3n Puissance apparente nominale 28,8 kVA I1max 140 A S3max Puissance apparente maximale 90 kVA Facteur de puissance 0,98 cos Il faut vérifier qu'avec ces 30 nouvelles soudeuses: - le tronçon "soudure caisse" n'est pas en surcharge - le facteur de puissance reste correct - la probabilité d'avoir de mauvais points de soudure à cause d’une tension d'alimentation inférieure à 360V ne dépasse pas 5 pour 1000. - Pour bénéficier de l'étude précédente faite avec des soudeuses triphasées équivalentes, on considère que, d'un point de vue puissance, 6 soudeuses "1000 Hz" vont se comporter comme une soudeuse "50 Hz" triphasée équivalente. 30 soudeuses "1000 Hz" sont donc équivalentes à 5 soudeuses "50 Hz" D-3-6-a Que devient la puissance moyenne installée ? Page 22 sur 26 D-3-6-b Que devient le facteur de puissance ? D-3-6-c En déduire la probabilité d'avoir un point de soudure défectueux à cause d'un nombre trop grand de soudeuses fonctionnant simultanément (cf §VII.b du DTD). D-3-6-d Conclusion: Peut-on ajouter les 30 soudeuses "1000 Hz"? Page 23 sur 26 PARTIE E : LA COMMUNICATION DANS L’ATELIER DE SOUDAGE L’installation d’un réseau de communication nécessite - La définition de son architecture intégrant nouvelle et ancienne installation - Le paramétrage des composants Se référer au dossier technique DTE La problématique est la suivante: Profitant des travaux de rénovation, le service « informatique industrielle » a décidé d'installer un réseau de communication de type ETHERNET TCP/IP industriel à 2 niveaux: - Niveau îlot de production - Niveau atelier soudage Caractéristiques : On considère que l’installation est décomposée en 80 îlots comportant chacun 10 robots soudeurs (soit 800 robots soudeurs au total). au niveau de chaque îlot (gestion des automatismes): liste des équipements ayant besoin de communiquer ensemble: - 10 cellules de soudage composées d’un robot et d’une soudeuse 1 automate de gestion des périphériques de l’îlot 1 pupitre de dialogue local à accès contrôlé de paramétrage local fonctionnalités: - - la communication entre le robot et sa soudeuse (liaison de type RS485 avec protocole INTERBUS) est éprouvée et reconduite. Les robots communiquent avec le niveau supérieur grâce à une liaison de même type. L’automate et le pupitre de dialogue disposent d’un module de communication ETHERNET TCP/IP MODBUS. Les adresses locales seront de la forme 192.168.i.n où i est le numéro d’îlot et n est le numéro de station (avec n ≠ 0) La bande passante sera 100 Mbits/s pour permettre un débit suffisant notamment pour les échanges d’informations entre les robots et l’API distance maximale entre éléments: 50 mètres au niveau atelier (gestion des données): liste des équipements ayant besoin de communiquer ensemble: Page 24 sur 26 - 80 îlots de production - un serveur contenant les bases de données suivantes (recettes) o tableaux de configuration des robots soudeurs • épaisseurs des tôles • séquencement des points de soudure • succession des points de soudure o les programmes de fonctionnement • robots (trajectoires) • soudeuses • positions géographiques des éléments annexes (rodeuses , changeurs d’électrodes) o centralisation des données pour traçabilité un 2e serveur en redondance contenant une image (rafraîchie cycliquement) du premier - - deux superviseurs (à accès contrôlé) contenant : - o les pages écran de contrôle o les consignes de production o les données rafraîchies par le serveur un superviseur chargé du contrôle du réseau (SNMP) un PC équipé o d’une carte GSM permettant l’envoi de SMS aux techniciens de maintenance (20 numéros disponibles) o d’un logiciel de gestion des défauts fonctionnalités: - le réseau est redondant de type ETHERNET TCP/IP industriel de bande passante 100 Mbits/s les adresses locales seront de la forme 192.168.0.j où j est le numéro du point d’accès distance entre éléments: - l’informatique de gestion est centralisée dans une salle de contrôle les îlots de production sont répartis dans l’atelier sur une distance d’environ 1000 m Page 25 sur 26 Questionnement : E-1. Communication entre le robot et sa soudeuse La figure 1 du DTE montre la communication entre le séquenceur d’un robot et la CPS de la soudeuse associée. E-1-1. Définir les expressions : • liaison RS 485 • liaison point à point • protocole INTERBUS. E-1-2. A partir des données fournies dans le dossier technique DTE , caractériser la liaison RS 485 en indiquant : • sa nature • son type • son type de transmission. E-2. Communication entre le robot et sa soudeuse E-2-1. Sur le document réponse DR 6 : - proposer un schéma architectural de l’ensemble du réseau répondant aux caractéristiques demandées - préciser la nature des média utilisés. E-2-2. Lister les matériels de connexion nécessaires. E-2-3. - Définir l’adresse exacte de l’îlot 5 au niveau du réseau d’atelier et le masque correspondant. - Définir l’adresse exacte du robot 8 de l’îlot 3 et le masque correspondant. Page 26 sur 26 DOSSIER TECHNIQUE DTA: LE SOUDAGE PAR POINTS IPrincipe En construction automobile, l'assemblage de deux ou plusieurs tôles se fait le plus souvent par soudage électrique par points (cf fig 1 et 2) Cette technique consiste à - presser les deux tôles à souder entre deux électrodes à l'endroit où doit être réalisée la soudure - puis faire passer un courant électrique intense entre ces deux électrodes pendant un certain temps, ce qui provoque la fusion du métal des deux tôles - puis maintenir l'effort pendant le refroidissement. le point de soudure est alors terminé la formation du point de soudure nécessite donc de produire un effort mécanique (force Fs) et une énergie électrique suffisante pour produire la fusion du métal Fs Ieff,Dt Electrodes Pièces à assembler Fs Fig 1: principe du soudage par point ZAT ZF e ZF : noyau fondu ZAT : zone affectée thermiquement Tôle 1 e Tôle 2 d’ Tôle 1 Tôle 2 ZAT ZF Un point de soudure de bonne qualité est caractérisé par - une liaison intime des deux tôles créée dans la zone de fusion (ZF) - une zone voisine affectée thermiquement (ZAT) - un état de surface correct - pas d'écrasement - pas de perforation ni de surcharge de matière Fig 2: détail d'un point de soudure 1 / 40 II- Modélisation et étude Rc1: résistance de contact électrode tôle 1 Rt1: résistance de la tôle 1 Rc3 Rc3: résistance de contact tôle tôle Rt2: résistance de la tôle 2 Rc2: résistance de contact de l’électrode tôle2 Rt2 Rc2 Le courant électrique passe dans un tube de métal . Fig 3: modélisation de l'espace traversé par le courant de soudage Rt1 Rc1 Les valeurs des résistances varient suivant - l'épaisseur des tôles - la nature des matériaux - l'état de surface - l'effort de serrage - la température Exemple considéré: Les données suivantes sont des valeurs moyennes qui ne tiennent pas compte des variations de température ni de structure de la matière mais qui suffisent pour la compréhension des phénomènes macroscopiques - tôles - électrodes: o composition: cuivre o composition: acier recouvert de zinc o diamètre utile: 6 mm o épaisseur de la tôle: 1 mm o épaisseur du revêtement: 3 microns o surface de contact: plane - effort de soudage maximum: 650 daN - résistances de contacts: o Rc1 = Rc2 = 20 µΩ o Rc3 = 200 µΩ matériau Résistivité à 20°C Température de fusion Température de vaporisation Chaleur massique Chaleur latente de fusion Masse volumique µΩ.cm °C °C J/°C/kg J/kg Kg/m3 ρ Tfusion Tvap c Qfusion ϖ Fer Cuivre 11 1530 1.7 1083 Zinc laiton Cu+Zn 6 418 906 470 272 7800 2 / 40 IIIProcédé Réaliser un point de soudure sur des tôles d'épaisseur inférieure à 2 mm nécessite de respecter un cycle de soudage qui comporte 5 phases (cf figure 4) - Accostage - Serrage - Soudage - Forgeage - Temps mort Pour des tôles plus épaisses, 2 phases supplémentaires sont nécessaires: - Préchauffage (avant le serrage) - Recuit (après le forgeage). ACCOSTAGE Fermeture des électrodes: superposition des 2 pièces à souder SERRAGE Etablissement de l'effort de serrage Fs L’effort de serrage a pour objectifs: 1- Vaincre la rigidité des pièces et les défauts d’accostage (assurer un contact convenable entre les pièces). 2- Assurer un bon contact électrique entre les électrodes et les tôles ( localisation du passage du courant), 3- Maintenir le contact entre les tôles durant les phases de fusion et de solidification. SOUDAGE Etablissement d'un courant de valeur efficace Ieff pendant un temps ∆t: Développement de l'effet joule et création noyau fondu FORGEAGE Refroidissement L'effort de serrage est maintenu, il permet d'avoir une bonne compacité du noyau. IVFonctionnalités d'une soudeuse par points: Une soudeuse par points doit donc - se déplacer pour souder les tôles de forme complexe : c'est le robot sur lequel elle est installée qui la déplace au bon endroit - produire un effort de serrage des électrodes constant - produire un courant de valeur efficace constante pendant une durée déterminée constante - respecter un cycle de soudage programmé : ce cycle de soudage commence quand la soudeuse reçoit une information du robot: "autorisation de soudage" (quand le robot a fini de positionner la soudeuse). Quand le cycle de soudage est terminé, la soudeuse renvoie au robot un compte rendu indiquant - la fin de l'exécution - les paramètres du point de soudure exécuté (pour traçabilité) - l'état de la soudeuse : 3 / 40 • identité du défaut si défaut • demande de rodage des électrodes • demande de changement des électrodes Position Fin de soudage Autorisation de soudage tt Effort de serrage t V F F R po eto sit ur io e n n d’ at te nt e Fo rg ea ge Ac co sta ge Se rra ge So ud ag e At te nt e Intensité efficace F V F V t Ieff,D t V F F Fig 4: détail du procédé de soudage par point 4 / 40 V- Approche structurelle: la soudeuse cf figure 5 La soudeuse par points est constituée d'un ensemble de 2 électrodes montées à l'extrémité de bras de pince, l'un fixe, l'autre articulé. Un moteur (pneumatique ou électrique) associé à une chaîne cinématique de transformation de mouvement assure le déplacement de l'électrode mobile et produit l'effort de serrage. Un transformateur associé à un modulateur d'énergie produit le courant de soudage élevé sous faible tension. Un système de refroidissement à eau maintient l'ensemble à une température de fonctionnement raisonnable. 3 7 8 1 4 5 6 2 1 Moteur de serrage 5 Bras de pince inférieur 2 transformateur 6 Axe fixe autour duquel pivote le bras articulé 3 Bras de pince mobile 7 Articulation 4 Electrodes 8 Articulation Fig 5: présentation structurelle de la soudeuse à pinces VI- Approche structurelle: l'ensemble soudeuse - robot Fig 6: présentation structurelle de l'ensemble robot + soudeuse 5 / 40 VII- Schéma fonctionnel de raccordement puissance de l'ensemble pince - robot Réseau 400V tri SOUDEUSES Soudeuse Robot Réseau 400V tri ROBOT et AUTOMATISMES Armoire de commande robot Rodeuse Armoire de commande soudeuse Changeur d’électrode Fig 7: raccordement électrique des sous ensembles VIII- Le transformateur d'alimentation de la soudeuse Le transformateur cuirassé fournit le courant de soudage. Le primaire est en fil émaillé, le secondaire est constitué de tube en cuivre, le transformateur est imprégné de résine époxy. Une protection thermique est assurée par deux thermostats à contacts libres de potentiel normalement fermés intégrés au circuit primaire et secondaire. IXla modulation de l'énergie de soudage L'alimentation du transformateur de soudage est réalisée avec un modulateur d'énergie qui permet de régler le courant de soudage pendant un temps déterminé. XLe système de serrage ds pinces de la soudeuse Il est constitué d'un système à 3 points d'articulation, Le moteur peut être un vérin pneumatique ou un moteur électrique avec vis sans fin. XILe refroidissement de la soudeuse (cf figure 8) Le refroidissement est assuré par la circulation d'eau dans les parties sujettes à l'échauffement. Il est décomposé en deux circuits. Une centrale d'alimentation fournit une eau déminéralisée à toutes les soudeuses de l'atelier à une pression de 4 bars et à une température de 20°C, elle est évacuée à une température d'environ 30°C par un réseau collec teur vers une station de refroidissement et de recyclage. Le débit est d'environ 12 l / min pour chaque soudeuse 6 / 40 Fig 8: Circuit de refroidissement de la soudeuse XII- Contrôle-commande de la soudeuse Un automate programmable (microcontrôleur) dédié à la commande de la soudeuse - commande le modulateur d'énergie - gère la valeur efficace du courant de soudage - fixe la durée du soudage - gère le déplacement de l'électrode mobile - gère la force de serrage. Il assure également la fonction de gestion des défauts XIII- Interface homme machine de la soudeuse Un pupitre de contrôle permet de : - configurer la soudeuse - lire les paramètres - lire les signalisations de défaut en "local" - faire une commande locale d'essai, ce qui facilite les opérations de dépannage. 7 / 40 Fiche de poste: Elaboré par le service « qualité soudure » pour chaque robot soudeur, elle précise - les programmes que peut réaliser la soudeuse (séquences) - les différents points de soudure à faire (n° de p oint) - les coordonnées X,Y et Z du point de soudure par rapport à la position initiale du robot (position absolue). Cette fiche sert à programmer les automates de la soudeuse et du robot. Nom du poste de soudage BR_770N4 FICHE DE PARAMETRAGE SOUDAGE tolérances Effort de serrage Epaisseur totale à souder I soudage en daN en mm en kA +/- 25 daN -0/+0.2 +/- 300A 130 130 260 260 260 525 475 8,0 8,0 1,7 1,7 1,9 4,5 4,0 0 0 11,8 11,8 11,8 13,5 13,5 durée de soudage en périodes durée de maintien en périodes +/- 3 N° Séquence 28 (rodage) 29 (rodage) 32 33 34 36 38 30 25 11 11 12 8 6 11 11 12 24 18 Paramètres de rodage: Fréquence: tous les 300 points de soudure N° de séquence de rodage: 29 Paramètres de changement d'électrodes: tous les 1200 points Paramètres de compensation d'usure: correction linéaire de la consigne d'intensité de soudage: de 100% de la consigne initiale au premier point à 110% pour le 300° point Durée du cycle de soudage : 3s Cadence: 20 points de soudure par minute Durée maxi de soudage: 15 périodes de 20 ms Durée maxi du maintien: 30 périodes 8 / 40 DOSSIER TECHNIQUE DTB: LE CIRCUIT DE PUISSANCE PARTIE B1: LA SOUDEUSE "50Hz" Alimentation Figure 1 : SCHEMA STRUCTUREL D’UNE SOUDEUSE 50 Hz F1 F3 F2 OU Contrôle du courant de soudage F4 Mesure du courant de soudage Contrôle de l’effort de serrage CPS Figure 2 : SCHEMA EQUIVALENT D’UNE SOUDEUSE 50 Hz Essai électrodes serrées à l’effort nominal , en court-circuit, impédance vue du secondaire i2 Rs 400 V 50 Hz Ls Zs Rs : résistance équivalente vue du secondaire du transformateur + résistance des électrodes Ls : inductance équivalente vue du secondaire du transformateur + inductance des électrodes (inductance des tôles nulle) 9 / 40 Figure 3 : SCHEMA EQUIVALENT D’UNE SOUDEUSE 50 Hz impédance ramenée au primaire i1 Rp u1(t)= U1m sin(w w t) Lp Zp Rp : résistance ramenée au primaire du transformateur , des électrodes Lp : inductance ramenée au primaire du transformateur et des électrodes RESULTATS DES ESSAIS d’IDENTIFICATION 1er essai: essai à vide 400 V Valeur efficace de la tension primaire U1 Valeur efficace de la tension secondaire à vide 13,5 V 2e essai : essai en court circuit pinces serrées Conditions d'essai - U1= 400 V - Pleine conduction des thyristors Valeur efficace du courant secondaire I2 réglé 23 kA 10 / 40 COMMANDE PROGRAMMABLE DE SOUDAGE 1-Choix du mode de contrôle du courant 11-Fonctionnement à taux de conduction constant (ou %) L’angle Y de retard à l’amorçage des thyristors est imposé par la CPS: il varie entre f, valeur minimale dépendant de l’installation et théoriquement 180° correspondant à la conduction nulle. Les butées de réglage permises par la CPS sont : Valeur maximale de l'angle: 153° (8,5 ms). Valeur minimale de l'angle : ϕ Cette programmation se fait en % de la valeur maximale du courant de soudage. Un essai « électrodes serrées » sous tension nominale de la soudeuse étudiée a permis d’obtenir la courbe %Imax = f(Y) suivante : 100 90 80 70 %Imax 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 24° 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 psi en ° 12-Fonctionnement à intensité constante L’angle Y est adapté pour obtenir et maintenir une intensité programmée par l’utilisateur afin de garantir une qualité de soudure constante indépendamment des fluctuations de tension du réseau ou de l’impédance de la soudeuse (état des électrodes, échauffement des circuits, état de surface des tôles …). 11 / 40 Figure 4: SCHEMA EQUIVALENT D’UNE SOUDEUSE 50 Hz en présence de tôles Tôles à souder u1(t)= U1m sin(w w t) Figure 5 : CYCLE DE SOUDAGE TYPE I soudage Valeur efficace du courant de soudage réglée à Is = 12 kA T=3s ton = 0,3 s t 20 soudures par minute maximum Figure 6 : ALLURES de uT(ω ωt) et i1(ω ωt) uT i1 uT i1 ωt ψ Θ1 12 / 40 Figure 7 : EVOLUTION RELATIVE à U1 de UT 1 UT/U1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Y 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Figure 8 : SCHEMA EQUIVALENT de l’ensemble « TRANSFORMATEUR+ELECTRODES+TOLES » i1 Rpt u1(t)= U1m sin(w w t) u T Lpt Zpt Rpt : résistance ramenée au primaire du transformateur , des électrodes et des tôles Lpt : inductance ramenée au primaire du transformateur et des électrodes et des tôles 13 / 40 COMPENSATION d’USURE Lorsque des électrodes travaillent, leurs caractéristiques se dégradent suivant deux processus principaux : - modification de la géométrie. - modification des caractéristiques du matériau de l'électrode. Pour conserver une qualité de soudure constante, il faut donc: - garder une densité de courant constante dans l’électrode - décaper périodiquement l’électrode par rodage - changer l’électrode usée. Loi de compensation d'usure : La CPS permet de programmer la loi suivante fonction du nombre de points de soudure réalisés par l'électrode : Ic1 = Ic0 (1+ 0.1*n/300) Où - Ic1 est la consigne corrigée - Ic0 est la consigne initiale - n : le nombre de points de soudure Rodage : Les rodages d'électrode ont lieu tous les 300 points de soudure. Le robot positionne la soudeuse sur une fraiseuse qui usine la partie superficielle des électrodes afin de supprimer la couche de métal polluée Après chaque rodage, la valeur n est remise à zéro. Changement d’électrodes : Il a lieu tous les 3 rodages par opération manuelle ce qui provoque un arrêt de production et une mise en position "repli" de la soudeuse par le robot 14 / 40 FACTEUR DE MARCHE et INTENSITE EQUIVALENTE THERMIQUE Le facteur de marche de la soudeuse FM est donné par la relation suivante : Somme des temps de passage du courant de soudage FM = Durée totale du cycle Temps de cycle: base de temps à choisir suivant le procédé de fabrication: - machine assurant une production régulière de longue durée (1000 pièces/heure par ex.) : temps de cycle = 3000 périodes secteur. - machine assurant une production discontinue avec des périodes de travail et des périodes de repos pour le transport des pièces (ex : pince montée sur un robot.) : temps de cycle = temps s'écoulant entre deux "départs de cycle" pièce. Le contrôle du facteur de marche par la CPS consiste à vérifier que le courant permanent maximum que la soudeuse peut supporter n'est pas dépassé. Principe de calcul du courant permanent (ou thermique) Ith Après chaque point de soudure, la CPS calcule le facteur de marche établi sur les dernières 60 secondes de fonctionnement de la soudeuse en appliquant la formule suivante: Ith = 2 I S2 1 t S1 + I S2 2 t S 2 + K + I Sn t Sn 60 Où - IS1 , IS2. …….ISn intensités efficaces moyennes mesurées au cours des n points effectués pendant les 60 dernières secondes (en kA). - tS1, t S2 ……t Sn temps de soudage réalisés à chacun des n points effectués pendant les 60 dernières secondes (en s). Ensuite la CPS compare la valeur calculée à la limite thermique programmée et génère un défaut s'il y a dépassement. 15 / 40 Figure 9 : EVOLUTION de la VALEUR EFFICACE du FONDAMENTAL et des HARMONIQUES H3, H5, H7 et H9 DE LA TENSION uT en fonction de Y Les courbes sont tracées pour une tension d’alimentation du gradateur de valeur efficace 400V Valeur efficace en V 400 380 360 340 Fondamental UF 320 300 280 260 Harmonique 3 UH3 240 220 Harmonique 5 UH5 200 180 Harmonique 7 UH7 160 140 Harmonique 9 UH9 120 100 80 60 40 20 Y 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 16 / 40 180 PARTIE B2 : Soudage Moyenne Fréquence 1000 Hz 1. STRUCTURE GENERALE DES SOUDEUSES 1000 Hz 1.1. Sérigraphie face avant 1.2. Schéma de principe du convertisseur (inverter) 17 / 40 1.3. Schéma de principe de l’ensemble « transformateur-redresseur secondaire » 1 à n diodes suivant le courant de soudage U V PE 2. AVANTAGES DE LA MOYENNE FREQUENCE 2.1. Avantages liés au redressement secondaire (courant continu) - Suppression de la composante inductive de l'impédance du circuit secondaire - Le courant de soudage n'est plus limité par la taille de la fenêtre de soudage. Le corps de pince devient beaucoup plus capacitaire. 2.2. Avantages liés au transformateur 1000 Hz - Gain de poids lié au transformateur au-delà d’une puissance apparente de 40 kVA - Applications directes : * pince à grand débattement (soudage plancher...) * limitation du poids de la pince et de la taille du robot. 2.3. Avantages liés à l'alimentation par le réseau triphasé - L'onduleur 50/1000 Hz alimentant le transformateur est branché directement sur le réseau triphasé d'où : * un meilleur équilibrage de la charge du réseau * un redimensionnement plus faible des câbles et organes de protection (contacteurs, disjoncteurs...) 18 / 40 - Faible déphasage courant-tension permettant une faible consommation d'énergie réactive 2.4. Avantages liés à la haute fréquence - L’effet selfique de la boucle secondaire permet de lisser l’allure du courant de soudage. - L’absence de pics de courant évite la formation de micro-arcs électriques entre les électrodes et les tôles et réduit les interférences électromagnétiques avec le métal en fusion. Ceci a pour conséquences : * d'éviter la destruction du revêtement à la surface des points soudés * d'augmenter la durée de vie des électrodes * de limiter les risques de projection de matière lors de la formation du noyau - La fréquence de 1000 Hz permet une montée en courant très rapide contrairement à une solution 50 Hz redressée. Aussi, la technologie de soudage moyenne fréquence redressée permet la réalisation de points d'assemblage de haute qualité à un coût économiquement rentable (soudage de bossage, points de sécurité, points d'aspect...) 19 / 40 -A puissance de soudage équivalente, un courant continu permet d'abaisser le domaine de soudabilité en diminuant soit la valeur de courant nominal nécessaire soit la durée du temps de soudage. 20 / 40 EXTRAITS DU REFERENTIEL DU BTS ELECTROTECHNIQUE 1-Compétences mobilisées dans les tâches professionnelles T1.3 • • • • • Concevoir des solutions techniques et des processus de fabrication dans le respect du cahier des charges et des contraintes imposées par le procédé Données Compétences mises en Indicateurs de performance oeuvre C02 : Choisir une solution Cahier des charges • La solution technique technique fonctionnel conçue et retenue est C03 : Analyser une solution conforme au cahier des Contraintes techniques et technique charges fonctionnel technologiques C07 : Argumenter sur la • L’argumentation présentée Données techniques des solution est fournisseurs recevable Normes et réglementations à technique retenue C08 : Concevoir une solution • Les dossiers d’étude fournis respecter technique sont complets et correctement rédigés T2.4 Proposer des améliorations de procédé et d’organisation Compétences mises en Indicateurs de performance oeuvre C01 : Analyser un dossier Résultats et historiques • Les causes de C02 : Choisir une solution de dysfonctionnement technique production sont répertoriées C03 : Analyser une solution Dossier technique de • La solution technique proposée technique l’installation permet d’améliorer la sécurité C07 : Argumenter sur la solution et les performances Rapport d’incident technique retenue • L’argumentation présentée est C14 : Analyser les causes de recevable dysfonctionnement Données • • • 2-Récapitulatif des différentes compétences C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 C08 C09 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 Analyser un dossier Choisir une solution technique Analyser une solution technique Rédiger un document de synthèse Déterminer les ressources et les contraintes Respecter une procédure Argumenter sur la solution technique retenue Concevoir une solution technique Élaborer les dossiers techniques Réaliser les représentations graphiques nécessaires Estimer les coûts prévisionnels Concevoir une procédure Appliquer les normes Analyser les causes de disfonctionnement Estimer les délais de réalisation Élaborer un support de formation Mettre en oeuvre des moyens de mesurage C18 Interpréter des indicateurs, des résultats de mesure et d'essais C19 Identifier les paramètres de réglage C20 Régler les paramètres C21 Réaliser un ouvrage, un équipement ou un produit C22 Déterminer les différentes tâches C23 Planifier les tâches C24 Suivre la réalisation C25 Analyser un planning C26 Contrôler la conformité d'un produit C27 Estimer les délais d'approvisionnement C28 Communiquer de façon adaptée à la situation C29 Exercer une responsabilité hiérarchique C30 Ordonnancer des opérations de maintenance C31 Intervenir sur une installation C32 Interpréter la demande du client C33 Animer une réunion 21 / 40 3-Niveaux taxonomiques Niveau 1 : niveau de l'information Le candidat a reçu une information minimale sur le concept abordé et il sait, de manière globale, de quoi il s'agit. Il peut donc par exemple identifier, reconnaître, citer, éventuellement désigner un élément, un composant au sein d'un système, citer une méthode de travail ou d'organisation, citer globalement le rôle et la fonction du concept appréhendé. Niveau 2 : niveau de l'expression Ce niveau est relatif à l'acquisition des moyens d'expression et de communication en utilisant le langage de la discipline. Il s'agit à ce niveau de maîtriser un savoir relatif à l'expression orale (discours, réponses orales, explications) et écrite (textes, croquis, schémas, représentations graphiques et symboliques en vigueur). Le candidat doit être capable de justifier l'objet de l'étude en expliquant par exemple un fonctionnement, une structure, une méthodologie, etc. Ce niveau englobe le précédent. Niveau 3 : niveau de la maîtrise d'outils Cette maîtrise porte sur la mise en oeuvre de techniques, d'outils, de règles et de principes en vue d'un résultat à atteindre. C'est le niveau d'acquisition de savoir-faire cognitifs (méthode, stratégie). Ce niveau permet donc de simuler, de mettre en oeuvre un équipement, de réaliser des représentations, de faire un choix argumenté, etc. Ce niveau englobe, de fait, les deux niveaux précédents. Niveau 4 : niveau de la maîtrise méthodologique Ce niveau vise à poser puis à résoudre les problèmes dans un contexte global industriel. Il correspond à une maîtrise totale de la mise en oeuvre d'une démarche en vue d'un but à atteindre. Il intègre des compétences élargies, une autonomie minimale et le respect des règles de fonctionnement de type industriel (respect des normes, de procédures garantissant la qualité des produits et des services). Ce niveau englobe, de fait, les trois niveaux précédents. 22 / 40 4-Contenus d’enseignement en génie électrique 1 La conversion de l’énergie électrique dans les applications : 1.1 L’entraînement électrique : 1.1.1 Couplage d’une charge à une source par rapport à la charge (réversibilité) ou par rapport à l’environnement16 ; 1.1.2 Outils méthodologiques associés à l’étude d’une chaîne cinématique. 1.2 Les différents types d’actionneurs électromécaniques : 1.2.1 Actionneurs électromécaniques dédiés au déplacement de produit ; 1.2.2 Actionneurs électromécaniques dédiés à la transformation de produit. 1.3 Les différents types de récepteurs en électrothermie : 1.3.1 Différents procédés de conversion de l'énergie électrique en électrothermie. 1.4 Les différents types de récepteurs en électrochimie : 1.4.1 Différents procédés de conversion en électrochimie. 1.5 La chaîne de commande des moteurs : 1.5.1 Différents principes et choix des matériels : 1.5.1.1 Représentations graphiques utilisées dans le domaine de la conversion d’énergie électrique 1.5.1.2 Logiciel de conception assisté par ordinateur (C.A.O.) pour les représentations graphiques normalisées des installations de motorisation ; 1.5.1.3 Appareillage des départs moteurs selon les normes en vigueur (coordination type 1 & 2) 1.5.1.4 Appareillage des départs moteurs progressifs (électromécaniques et électroniques) ; 1.5.1.5 Appareillage de variation de vitesse. 1.5.2 Réalisation des équipements 1.5.2.1 Règles de conception et réalisation des armoires électriques de commande de machine automatisée selon les règles de l'art et les normes en vigueur 1.6 La régulation industrielle et les fonctions spéciales : 1.6.1 Différents principes de régulation 1.6.1.1 Constituants d'un procédé de régulation 1.6.1.2 Boucle de régulation 1.6.2 Boucle de régulation d’un procédé 1.6.2.1 Outils adaptés pour programmer une application de régulation 1.6.2.2 Paramètres d'une boucle de régulation 1.7 La sécurité machine et la mise en conformité : 1.7.1 Mise en sécurité des machines en accord avec la réglementation en vigueur 1.7.1.1 Normes régissant la sécurité des machines 1.7.1.2 Démarche de réception d’une machine neuve ou reconditionnée vis à vis de la réglementation 1.7.1.3 Constituants de sécurité 23 / 40 2 La production, le transport et la distribution de l’énergie électrique : 2.1 Les différentes sources d’énergie et leurs exploitations dans les applications électriques : 2.1.1 Production de l'énergie électrique : 2.1.1.1 Principales sources de production de l'énergie (nucléaire, hydraulique et fossile) ; 2.1.1.2 Principes et matériels mis en oeuvre dans les autres sources d’énergie électrique (nouvelles énergies renouvelables) ; 2.1.1.3 Classement des différentes sources de production en fonction de leurs applications. 2.1.2 Transport de l'énergie électrique : 2.1.2.1 Architectures des réseaux de transport et d'interconnexion ; 2.1.2.2 Caractéristiques de l'appareillage HT ; 2.1.2.3 Normes relatives aux équipements mis en oeuvre. 2.1.3 Distribution de l'énergie électrique : 2.1.3.1 Vision globale d’une installation électrique et de son environnement ; 2.1.3.2 Matériels permettant de générer des économies d'énergie et d’optimiser les investissements (HTA et BT) ; 2.1.3.3 Définition graphique d’une architecture de réseau d'alimentation (HTA et BT) ; 2.1.3.4 Dimensionnement, par les calculs et les outils logiciels, des différents éléments qui composent une installation électrique (transformateurs, appareils, câbles…) ; 2.1.3.5 Contrôle des modifications d'une installation électrique (compensation réactif normal, …) en toute sécurité ; 2.1.3.6 Normes NFC15-100 et UTE 15-105 ; 2.1.3.7 Sources de remplacement (groupes électrogènes, onduleurs,…) et équipements assurant la disponibilité de l'énergie électrique en toute sécurité ; 2.1.3.8 Représentations graphiques utilisées dans le domaine de la distribution électrique ; 2.1.3.9 Maîtrise d’un logiciel de CAO pour les représentations graphiques normalisées des installations électriques. 2.2 La qualité de l'énergie électrique en environnement perturbé : 2.2.1 Connaissance des protections contre la foudre, conformément aux normes régissant la basse tension : 2.2.1.1 Éléments qui contribuent à la sûreté des installations ; 2.2.1.2 Dimensionnement des sources de remplacement (ASI, ADI17 …) ; 2.2.1.3 Protections contre la foudre nécessaires à la bonne marche d'une l'installation ; 2.2.1.4 Architecture des protections contre la foudre d'une installation ; 2.2.1.5 Normes et réglementations. 2.2.2 La compatibilité électromagnétique : faire coexister courants forts et courants faibles 2.2.2.1 Mise en évidence des phénomènes CEM au travers d'expériences simples ; 2.2.2.2 Exigences normatives de la directive CEM ; 2.2.2.3 Effets des perturbations sur une installation électrique ; 2.2.2.4 Modifications nécessaires sur une installation électrique pour éliminer les perturbations dans le domaine de la CEM. 2.2.3 Compréhension et minimisation des harmoniques 2.2.3.1 Observation par des manipulations des perturbations dues aux harmoniques et leurs effets sur les équipements, analyser les relevés de mesure ; 2.2.3.2 Dysfonctionnements d'une installation électrique dus à la présence de perturbations harmoniques ; 2.2.3.3 Modifications nécessaires à une installation électrique pour minimiser les perturbations harmoniques. 2.2.4 Détermination et mise en oeuvre d’une compensation d'énergie réactive en milieu perturbé 2.2.4.1 Choix des condensateurs adéquats permettant de réduire la facture énergétique sur une installation, en milieu perturbé ; 2.2.4.2 Choix de la protection des condensateurs contre les phénomènes harmoniques pour éviter leur surcharge. 24 / 40 5-Horaires de formation Horaire de 1ére année Horaire de 2ème année Heures /Semaine a+b+c Heures /Année Heures /Semaine a+b+c Heures /Année 1. Culture générale et expression 3 2+1+0 96 3 2 + 1+ 0 84 2. Langue vivante étrangère : anglais 2 0+2+0 64 2 0+2+0 56 3. Mathématiques 4 3+1+0 128 3 2+1+0 84 4.Construction des structures matérielles appliquée à l’électrotechnique 3 1+2+0 96 2 0+2+0 56 5. Sciences appliquées 9 6+0+3 288 9 6+0+3 252 6. Essais de systèmes 4 0+0+4 128 6 0+0+6 168 7. Génie électrique 8 1+0+7 256 8 1+0+7 224 2 semaines 8. Suivi du stage ouvrier 9. Suivi du stage de technicien 4 semaines Total 10. Langue vivante facultative (autre que l’anglais) 33 13 + 6 + 14 1056 1 1+0+0 32 33 11 + 6 + 16 924 1 1+0+0 28 a : cours en division entière, b : travaux dirigés, c : travaux pratiques d’atelier Pour les travaux pratiques d’atelier, des groupes sont constitués dès lors que l’effectif de la division est supérieur à 15 élèves. L'horaire annuel est donné à titre indicatif. 25 / 40 DOSSIER TECHNIQUE DTC PARTIE C1: SYSTEME DE SERRAGE PAR VERIN PNEUMATIQUE CARACTERISTIQUES des VERINS de SERRAGE Longueur de course : 63 mm Diamètre Section Efforts dynamiques développés en sortie de tige en vérin piston fonction de la pression d’alimentation (daN) (mm) (cm2) 2 bars 4 bars 6 bars 8 bars 10 bars 63 80 100 125 31.2 50.3 78.5 123 50 88 135 210 110 185 290 460 170 285 440 700 230 385 600 925 290 480 750 1150 Figure 1 : FONCTION de TRANSFERT du REGULATEUR de PRESSION à COMMANDE PROPORTIONNELLE La CPS dispose d'une sortie analogique 0-10 V permettant de commander une vanne de régulation de pression proportionnelle délivrant une pression comprise entre 0 et la pression réseau nominale (10 bars), pour un signal de commande compris entre 0 et 10 V. La non-linéarité maximale est de +/- 10 % pour uc = 5 V P 10 bars Non linéarité et non reproductibilité 10V Tension de commande uc issue de la CPC 0 L’évolution de la non linéarité en fonction de la tension de commande est la suivante : uc (V) 0 2 4 5 6 7 8 NL (%) 0 6 9 10 9 7.5 6 10 0 26 / 40 PARTIE C2: SYSTEME DE SERRAGE PAR MOTEUR DE SERRAGE ELECTRIQUE Fig 1: DETAIL MOTORISATION Caractéristiques de la vis sans fin: diamètre primitif: 20 mm, pas de la vis: 5 mm 1 11 10 Palier arrière et codeur incrémental Rotor creux fileté du moteur 9 Stator du moteur de serrage Vis sans fin de serrage 8 71 I- Fonctionnalités FIG 2: SOUDEUSE EN POSITION FERMEE: DIMENSIONS UTILES D2: distance articulation - axe des électrodes LU: longueur utile HU: hauteur utile D1 HU LU D2 LU 275 HU 185 D2 390 D1 195 Effort maxi électrode: Fel 550daN 27 / 40 Fig 3: SOUDEUSE EN POSITION OUVERTE: X L 30° II- Le moteur de serrage Moteur A Moteur B Moteur synchrone triphasé à aimants permanents samarium cobalt collés autopiloté Les valeurs nominales sont définies pour un facteur de marche de 100% Tension nominale (en V) 200 345 Vitesse nominale (en tr/min) 3000 3000 Couple nominal (en Nm) 9.5 9.5 Intensité nominale (en A) 11.5 6.4 Intensité maximale admissible 5*In 5*In Intensité maximale admissible (facteur de 2.5*In 2.5*In marche 30%) Constante de couple (Kt) (en Nm/A) 0.82 1.48 Constante de FEM (en V pour 1000 tr/min) 55 95 Résistance stator (en Ω) 2.2 5.8 Constante de temps thermique (en min) 2 2 Inertie du rotor (en kg.m²) 1.4.10-3 1.4.10-3 Débit d'eau dans le circuit de refroidissement 4 4 (en l/min) Classe d'isolement H (180°C) H (180°C) Thermostat de sécurité 150°C +/- 5°C 150°C +/- 5°C Capteur de position rotorique resolver resolver Capteur de déplacement de la vis Codeur incrémental I 512 II 1024 28 / 40 III- Les coefficients de mise à l'échelle Coefficient de la chaîne d’action Ks Longueur L en mm FS Epaisseur totale de tôles à souder ept en mm Coefficient de la chaîne d’action Kv Vitesse d’approche Vmax en mm/s FV Consigne de position POS en nombre d’impulsions Consigne de vitesse VIT en nombre d’impulsions / s Fig 4 29 / 40 PARTIE D: L'ALIMENTATION EN ENERGIE DE L'USINE EN GENERAL ET DE L'ATELIER DE SOUDAGE EN PARTICULIER: I- Principe L'alimentation de l'usine est assurée par EDF grâce à deux lignes 90 kV Le poste de livraison HTB comporte trois transformateurs 90 kV / 20 kV Le poste de répartition HTA assure l'alimentation des différents ateliers de l'usine par 9 boucles 20 kV alimentées par les postes K1 et K2 II- LE POSTE DE LIVRAISON HTB POSTE HT Ligne 90 kV GAVRELLE 2 Ligne 90 kV GAVRELLE 1 92.3 KV 115.4 A 15.7 MW 5.3 Mvar 92.3 KV 115.4 A 17.5 MW 5.3 Mvar D1 D2 POSTE 90KV SSB1 SSB2 DTR1 TR1 DTR3 DTR2 51.5°C TR2 24.4°C Posit ion régleur 9 TR3 46.9°C Position régleur 1 20.0 kV 507.7 A 14.0 MW 20.1 kV 0.0 A 0.0 MW A1 20.1 kV 0.0 A 0.0 MW 20.1 kV 540.1 A 16.0 MW A3 A2B A2A POSTE K2-RAME 1 Position régleur 10 S2 POSTE K2-RAME 2 Fig 1: synoptique du poste de livraison HTB 30 / 40 III- LA PERTURBATION DU 31/03/2008 31/03/2008,07:05:57 VA GAV2 Vmax=90435V Vmax=75362V VB GAV2 Vmax=86662V VC GAV2 Vmax=32031V Fig 2 : enregistrement de la perturbation du 31/03/2008 Les tensions VA, VB et VC sont les tension simples. Les valeurs Vmax sont les valeurs crête mesurées pendant le défaut. Vmax = 75362 V est la valeur crête avant et après le défaut. Les pointeurs verticaux indiquent respectivement le début et la fin du défaut (pointillés) et une période (traits fins). 31 / 40 0° 180° 360° 90° Une graduation égale 12° 240° Fig 3 : zoom d'une période (traits fins) IV- LE POSTE DE REPARTITION HTA POSTE K2 RAME 1 20.0 kV 507.7 A 14.0 MW 20.1 kV 0.0 A 0.0 MW TR1 A1 TR2 A2A Vers RAME 2 Reserve TSA1 20.0 kV 0.0 A 0.0 kW 1 2 3 4 5 6 20.0 kV 188.2 A 4988.0 kW 20.0 kV 54.1 A 974.0 kW 20.0 kV 103.1 A 2859.0 kW 20.0 kV 62.4 A 2157.0 kW 20.0 kV 49.7 A 1093.0 kW 20.0 kV 38.5 A 1132.0 kW Vers post e 3B Vers post e 2G Vers poste 5C Vers poste 1AB Vers post e P3 Vers poste 1H 7 20.0 kV 28.6 A 938.0 kW Vers CELLULE 8 Poste K2 RAME 2 Vers poste 1K Fig 4: schéma de la moitié du poste K2, rame 1 32 / 40 POSTE K2 RAME 2 TR1 TR3 20.1 kV 0.0 A 0.0 MW A2B 20.1 kV 540.1 A 16.0 MW A2A Vers RAME 1 8 Vers CELLULE 8 Poste K2 RAME 1 9 10 20.1 kV 20.1 kV 201.7 A 70.1 A 5427.0 kW 2395.0 kW 20.1 kV 178.4 A 5083.0 kW Vers post e 1V Vers poste 1C Vers poste 2K 11 20.1 kV 3.2 A 120.0 kW Vers poste J2 12 20.1 kV 76.6 A 2363.0 kW Vers poste E 13 20.1 kV 14.9 A 509.0 kW Vers poste 1T 14 20.1 kV 5.7 A 184.0 kW TSA2 Reserve 20.1 kV 0.0 A 0.0 kW Vers post e Cd2 Fig 5: schéma de la moitié du poste K2, rame 2 V- LES POSTES DE DISTRIBUTION HTB DE L'ATELIER DE SOUDAGE L'alimentation de l'ensemble de l'atelier de soudage (postes 3B et 1C) est répartie en 3 réseaux BTB indépendants: - un réseau soudure - un réseau force motrice - un réseau éclairage. VI- LE RESEAU BTA DE SOUDAGE Le réseau de soudage est constitué de 6 tronçons indépendants alimentés par 8 transformateurs 20 kV / 410 V 1200 kVA. Chaque transformateur est associé à une compensation de cos φ par 5 batteries de condensateurs 50 kvar 410 V. Les tronçons sont réalisés en CANALIS (TRI + PE) KTA 2500A ou KTA 3200A suivant la longueur du tronçon, le nombre de soudeuses branchées et leur puissance nominale. Chaque soudeuse est alimentée en monophasé à partir d'un connecteur de CANALIS avec fusible type aM, d'un câble de section 50 mm² de longueur 10 m, un disjoncteur NS250 en tête du "coffret puissance soudeuse". PLAN DU TRONCON "SOUDURE CAISSE" DE SOUDAGE ET DETAIL D'UN DEPART SOUDEUSE Ce tronçon alimente 84 soudeuses monophasées 33 / 40 Fig 6 : plan du tronçon de réseau de soudage à étudier Valeur des résistances et réactances du circuit Résistance équivalente Réactance équivalente réseau HTB (vue côté BT) 0,060 mΩ 0,560 mΩ Transfo 1250 kVA 1,410 mΩ 7,946 mΩ Canalis KTA 2500 0,021 mΩ / mètre 0,007 mΩ / mètre Câble d'alimentation des soudeuses II+PE 50 mm² longueur 5m 0,341 mΩ 0,114 mΩ 34 / 40 Fig 7: schéma unifilaire du tronçon "soudure caisse" VII- Fig 7 bis: schéma unifilaire équivalent CALCULS RELATIFS AU FONCTIONNEMENT NON SIMULTANE DE N SOUDEUSES BRANCHEES SUR UN MEME RESEAU D'ALIMENTATION (extraits de la norme A82002) a. Estimation de la puissance moyenne équivalente consommée par l'ensemble des soudeuses A partir des lois de probabilité de fonctionnement simultané de n soudeuses, la puissance moyenne équivalente de toutes les soudeuses connectées au même endroit du tronçon est donnée par la relation de Wolff S 3moyeq = S 3 max . n.a(1 + (n − 1).a ) . où - "S3moyeq" est la puissance apparente moyenne équivalente à n soudeuses triphasées équivalentes - "a" est le facteur de marche maximum - "S3max" la puissance apparente maximale d'une soudeuse triphasée équivalente 35 / 40 b. Calcul de la probabilité de voir fonctionner p soudeuses simultanément. - Les n soudeuses ont un facteur de marche a - leur fonctionnement n'est pas synchronisé - le nombre de soudeuses fonctionnant simultanément est complètement aléatoire et suit la loi de probabilité binomiale suivante: n! (n − p ) pr = .a p .(1 − a ) p!.(n − p )! Ce qui donne pour n = 28 et a = 10% p (nombre de soudeuses fonctionnant simultanément) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 pr probabilité que cela arrive 5,23E-02 1,63E-01 2,44E-01 2,35E-01 1,63E-01 8,71E-02 3,71E-02 1,30E-02 3,78E-03 9,33E-04 1,97E-04 3,58E-05 5,64E-06 7,71E-07 9,18E-08 9,52E-09 8,59E-10 6,74E-11 4,58E-12 2,68E-13 1,34E-14 5,66E-16 2,00E-17 5,80E-19 1,34E-20 2,39E-22 3,06E-24 2,52E-26 1,00E-28 0,300 probabilité p probabilité de fonctionnement simultané 0,250 0,200 0,150 0,100 0,050 nombre de soudeuses p fonctionnant simultanément 0,000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ce qui signifie que par exemple, la probabilité de voir fonctionner 5 machines en même temps n'est que de 0.087. 36 / 40 10 Ce qui donne pour n = 33 et a = 10% p (nombre de soudeuses fonctionnant simultanément) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 pr probabilité que cela arrive 3,09E-02 1,13E-01 2,01E-01 2,31E-01 1,93E-01 1,24E-01 6,44E-02 2,76E-02 9,97E-03 3,08E-03 8,20E-04 1,91E-04 3,88E-05 6,97E-06 1,11E-06 1,56E-07 1,95E-08 2,16E-09 2,14E-10 1,87E-11 1,46E-12 1,00E-13 6,07E-15 3,23E-16 1,49E-17 5,98E-19 2,04E-20 5,89E-22 1,40E-23 0,250 probabilité p probabilité de fonctionnement simultané 0,200 0,150 0,100 0,050 nombre de soudeuses p fonctionnant simultanément 0,000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 37 / 40 9 10 DOSSIER TECHNIQUE DTE : LA COMMUNICATION DANS L’ATELIER DE SOUDAGE Liaison vers le niveau supérieur Liaison RS 485 point à point avec circuits d’émission et de réception distincts Protocole INTERBUS Connecteur XR Connecteur SEQUENCEUR ROBOT PARTIE OPERATIVE ROBOT CPS PARTIE OPERATIVE SOUDEUSE Figure 1 38 / 40 Réseaux : produits de connexion REPETEUR (repeater) 1 1 Segment 1 Segment 2 CONCENTRATEUR (hub) 1 1 1 1 1 1 1 1 SWITCH CONVERTISSEUR (transceiver) Permet l’extension d’un réseau par segments Il amplifie et rétablit le même type de signal Exemple = répéteur RS485 1 1 Segment 1 Permet l’extension d’un réseau en étoile Il amplifie et rétablit le même type de signal sur tous les ports Permet l’extension d’un réseau en étoile Il amplifie et rétablit le même type de signal sur un seul port. Exemple = Switch Ethernet (Permet de diminuer le nombre de collisions) Permet l’extension d’un réseau par segments de nature différentes. Segment 2 Exemple = convertisseur RS232/RS485 PONT (bridge) Permet de relier 2 réseaux utilisant le même protocole mais des couches basses différentes 2 2 1 1 Réseau 1 Exemple = Bridge Modbus RS485 / Modbus Ethernet TCP-IP Réseau 2 ROUTEUR (router) 3 3 2 2 1 1 Réseau 1 Permet de relier 2 réseaux de même nature. Exemple = Routeur Ethernet TCP-IP Réseau 2 PASSERELLE (gateway) Réseau 1 7 7 2 2 1 1 Permet de relier 2 réseaux de nature différente Exemple = Passerelle FIPIO / Modbus Réseau 2 39 / 40 Communication : définition des caractéristiques d’une transmission NATURE *série *parallèle TYPE *simplex *half duplex *full duplex TYPE DE TRANSMISSION SERIE *synchrone *asynchrone MEDIUM *paires torsadées *câble coaxial *fibre optique TYPE DE CONNEXION *point à point *multipoint TOPOLOGIE (liaison , bus , *maillage réseau) *bus *anneau *étoile *arbre STANDARD liaisons « série » *RS232 *RS422 *RS485 RESEAU ETHERNET TCP IP MODBUS Topologie : Libre Bus, étoile, arbre, ou anneau Distance maximum : Fonction du médium et du débit Minimum : 200 m en 100 base TX Maximum : 40 000 m en 10 base F Débit : 10 Mbits/s - 100 Mbits/s Nbre max équipements : Fonction du médium Minimum : 30 par segment sur 10 base 2 Maximum : 1024 sur 10 base T ou 10 base F Ethernet est disponible sur trois types de médium : Nom Description Débit Long. maxi Nbre max stations/segment Câble 10 base 5 Thick Ethernet 10 Mb/s 500 m 100 coaxial 10 base 2 Thin Ethernet 10 Mb/s 185 m 30 Paire torsadée blindée 10 base T Twisted pair 10 Mb/s 100 m 1024 100 base TX Twisted pair cat. 5 100 Mb/s 100 m ??? Fibre 10 base F 2 fibres 10 Mb/s 2000 m 1024 optique 100 base FX 2 fibres 100 Mb/s 2000 m ??? 40 / 40 Documents réponse.doc Page 1 sur 4 DR 1 ∆t et effort de serrage corrects Ieff trop important Ieff trop faible ∆t trop important Ieff et effort de serrage corrects ∆t trop faible Ieff et ∆t corrects: DR 2 U1 = 400 V un effort de serrage trop important un effort de serrage trop faible F% H3% H5% H7% H9% IF IH3 IH5 IH7 IH9 Y = 60° Y = 70° Y = 80° Y = 90° DR 3 I1 = 405 A Y = 80° Page 1 sur 4 Documents réponse.doc Page 2 sur 4 DR 4 Durées maximales pour respecter le cycle de soudage ;Tc = 3s T1 = T3 = T5 = T7 = 0.1s T2 = T6 = 0.1s T4 = 0.9s Page 2 sur 4 Documents réponse.doc Page 3 sur 4 DR 5 Valeur de consigne en mode régulation de vitesse Filtre de référence régulateur de vitesse Sel_1 Action directe sur la vitesse Valeur de consigne vitese supplémentaire Générateur de profil Consignes et validation profil Ctrl_Kfp Limitation de saut Ctrl_TAUrefp Ctrl_Kpp Ctrl_nmax Filtre valeur de référence de courant Ctrl_TAUrefn Valeur de consigne en mode régulation de courant _consI_extt Régulateur de vitesse Sel_2 Ctrl_Kpn Ctrl_Imax ctrl_KTn Régulateur de courant Ampli de puissance Ctrl_TAUrefi Id,iq Analyse du codeur M 3 R Vitesse Valeur réelle position vitesse Position Page 3 sur 4 Resolver C Codeur Documents réponse.doc Page 4 sur 4 Document réponse n°6 Réseau de communication ETHERNET de l’atelier de soudage Gestion des défauts Téléphone portable des techniciens de maintenance Serveur 1 Serveur 2 (redondance) Supervision 1 de l’atelier Supervision 2 de l’atelier Gestion réseau Réseau GSM envoi de SMS Automate programmable gestion de la chaîne de production Réseau de classe ETHERNET industriel redondant100 Mbits/s Au niveau de l’atelier soudage 80 ilôts de production Réseau de classe C ETHERNET 100 Mbits/s au niveau de l’îlot de production Automate programmable gestion des périphériques de l’îlot Cellule Robot + soudeuse Cellule Robot + soudeuse ILOT i Pupitre de dialogue local Automate programmable gestion des périphériques de l’îlot Cellule Robot + soudeuse Page 4 sur 4 Cellule Robot + soudeuse ILOT i+1 Pupitre de dialogue local
