Rénovation du programme du B.T.S Informatique Industrielle
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Rénovation du programme du B.T.S Informatique Industrielle version 4.1 (extrait) étape 9 26/01/2002 __________________________________________________________________________________________ Rénovation du programme du B.T.S Informatique Industrielle Physique appliquée I. Référentiel des connaissances et des compétences. (Extrait) N.B : Pour chaque thème du programme, on a regroupé les connaissances scientifiques et les savoir -faire théoriques directement évaluables dans l’épreuve écrite d’examen. L’exemple ci-dessous concerne un extrait du thème VIII. : Energie électrique : distribution et conversion. (suite et fin) VIII.2. Conversion électromécanique d’énergie. N.B : les machines électriques seront considérées comme des convertisseurs d’énergie : l’étude de leur structure ne figure pas au programme de Physique appliquée. Connaissances scientifiques : - Enoncer la propriété de réversibilité de fonctionnement d’une machine électriqu e tournante. - Citer le stator et le rotor comme organes principaux d’une machine électrique tournante. - Citer l’intérêt de la plaque signalétique d’une machine. - Citer des grandeurs de commande (U, I et f) agissant sur les paramètres mécaniques ( C et Ω ) d’un convertisseur électromécanique. - Donner la définition de la puissance absorbée et de la puissance utile pour une machine électrique. - Donner la définition d’un bilan global des puissances pour un convertisseur électromécanique. - Citer la formule de la puissance mécanique mise en jeu pour une machine. - Citer quelques ordres de grandeur pour la puissance électrique mise en jeu dans des machines électriques suivant les domaines d’application. - Citer les trois types de moteurs pas à pas : à aimant permanent, à réluctance variable, hybride. Savoir-faire théoriques : - Utiliser le vocabulaire minimum propre à la conversion électromécanique d’énergie pour pouvoir communiquer avec les spécialistes de l’Electrotechnique. - Exploiter la caractéristique mécanique d'un moteur électrique et celle de sa charge mécanique : - pour déterminer les conditions de démarrage du groupe machine -charge, - pour déterminer graphiquement le point de fonctionnement en régime permanent du groupe machine charge. - Exploiter la caractéristique quatre quadrants d’une machine électrique afin de préciser, en utilisant les grandeurs mécaniques, les quadrants relatifs à un fonctionnement de la machine en moteur ou en générateur. Page 1/4 3 Rénovation du programme du B.T.S Informatique Industrielle version 4.1 (extrait) étape 9 26/01/2002 __________________________________________________________________________________________ II. Commentaires sur les connaissances et des compétences. (Extrait) VIII.2. Conversion électromécanique d’énergie. Commentaire à l’usage des professeurs : Les machines électriques sont aujourd'hui devenues indissociables de leur commande électronique : le caractère très complexe des systèmes éle ctrotechniques actuels nécessite d’en faire une approche globale fonctionnelle. Cette approche, qui exclut toute monographie sur les machines électriques, permet en même temps de situer les convertisseurs statiques dans leur fonctionnalité vis à vis de ces machines. C’est la raison pour laquelle le programme limite sa partie électrotechnique (VIII.2) à une présentation fonctionnelle illustrée par les deux convertisseurs électromécaniques suivants : - un seul type de moteur alimenté en B.T.A. - un moteur pas à pas. La méthode pédagogique préconisée ici recommande de proscrire tout enseignement d’électrotechnique procédant par capitalisation de cas particuliers et de développer plutôt des modes de raisonnement généraux à partir d’une étude bien conduite portant sur ces deux exemples. Le programme d’électrotechnique insiste donc sur l'aspect conversion électromécanique, (sans toutefois descendre jusqu’à l’étude du principe détaillé du fonctionnement d’un moteur électrique) : il s’agit d’un programme d'électrotec hnique pour mécaniciens et automaticiens. Toutefois, pour pouvoir communiquer avec les spécialistes de l’Electrotechnique, le technicien supérieur se doit de posséder le vocabulaire minimum propre à la conversion électromécanique d’énergie : réversibilité de fonctionnement d’une machine électrique tournante, rôles respectifs du stator et du rotor, intérêt de la plaque signalétique.. etc…etc Afin de compléter la culture de ses étudiants, le professeur dressera un panorama des types de moteurs que l’on peut rencontrer en précisant les gammes de puissance selon les domaines d'utilisation en puissance et en vitesse (par exemple, dans le cas des moteurs pas à pas, il ne faudrait pas oublier le mouvement des machines outils à commande numérique, la commande d’a xes XYZ, les actionneurs de voilure en aéronautique, mais aussi la burette programmable, le pousse-seringue …). Le professeur ne manquera pas de souligner la place importante occupée par le magnétisme et l’électromagnétisme dans l’ordinateur et ses périphé riques (par exemple : entraînement d’imprimante, d’un disque dur, d’un lecteur de disquette ou de CDROM…) Le professeur illustrera la physique des dispositifs électromécaniques, en montrant expérimentalement que "les machines électriques" sont des conver tisseurs électromécaniques et qu’elles sont gérées par les lois fondamentales de l’électromagnétisme. Il s’agit de mettre également en évidence que la transformation réversible énergie électrique/énergie mécanique se fait toujours par le biais de l'énergie magnétique, ce qui justifie l'étude (au moins succincte) de cette forme d'énergie, généralement mal perçue par les étudiants et pourtant omniprésente dans les systèmes informatiques. Pour ce faire, il serait souhaitable de montrer expérimentalement : - la présence d'un champ magnétique au voisinage de conducteurs parcourus par un courant électrique (à mettre en relation avec la notion de bobinage), - la force électromagnétique de Laplace (à mettre en relation avec la notion de machine à courant continu et de moteur linéaire), - les interactions entre pôles magnétiques (à mettre en relation avec la notion de machine synchrone), - les phénomènes d'auto-induction (à mettre en relation avec la notion de machine asynchrone). Le professeur montrera ainsi que les lois de la physique sont pérennes malgré toutes les améliorations technologiques et que seule la technique de mise en œuvre de ces lois diffère d'un type de machine à l’autre. Page 2/4 3 Rénovation du programme du B.T.S Informatique Industrielle version 4.1 (extrait) étape 9 26/01/2002 __________________________________________________________________________________________ Actuellement, c’est l’électronique de puissance qui permet de réaliser des ass ociations machine électriqueconvertisseur statique, adaptées à la nature de la source d'énergie électrique (alternative ou continue) et au type de machine tournante (alternative ou continue). Le but étant d’obtenir la caractéristique mécanique (moment du couple/vitesse de rotation) répondant au cahier des charges, il apparaît rapidement que le "type de la machine" passe au second plan. Toute machine électrique tournante (ou linéaire) sera présentée comme un convertisseur d’énergie qui, par la transition du magnétisme réalise la conversion réversible suivante : Pélec Pméca Dès lors, la finalité de l'étude d’une machine électromécanique, utilisée en fonctionnement "moteur", sera de montrer qu'un tel actionneur doit fournir une puissance mécanique égale au produit : dans le cas d’une machine tournante, vitesse de rotation × « couple » vitesse de translation × force dans le cas d’un moteur linéaire ou d’un vérin électrique, cette puissance mécanique étant obtenue à partir d'une puissance électrique égale au produit : tensi on × courant. L'étude se ramène alors à la problématique de la gestion du système à motoriser : - une problématique dynamique, si l’on s’intéresse à la fonction de transfert pour l’étude du régime transitoire (voir ci-dessus Thème VII) : quel couple (ou quelle force) l'actionneur doit -il fournir pour obtenir une accélération ? - une problématique statique, si l’on s’intéresse aux caractéristiques statiques pour définir un point de fonctionnement en régime permanent : comment obtenir une vitesse de rotation (ou de translation) pour une charge mécanique donnée ? Quels que soient les supports de la formation ( machine à courant continu à flux constant, ou moteur asynchrone, ou moteur synchrone et moteur pas à pas), le professeur mènera une approche d’automaticien qui considère la machine et son électronique associée comme un tout, à traiter comme une "boîte noire" : - il en donnera le modèle sous la forme d’un système d’équations électriques, mécaniques et électromécaniques et/ou sous la forme de graphiques, - il y fera identifier les grandeurs commandées (couple et vitesse de rotation, dans le cas des machines tournantes ou bien force et vitesse de translation, dans le cas des moteurs linéaires) et les grandeurs de commande (intensité des courant, tension et/ou fréquence) - il fera rechercher une relation entre grandeur de commande et grandeur commandée. Dès lors que le technicien supérieur s’intéresse aux grandeurs qu’il peut éventuellement gérer (la tension et l'intensité des courants), les compétences à faire acquérir aux étudiants seront centrées sur l’exploitation raisonnée des relations existant entre les grandeurs électriques et mécaniques pour une machine donnée. (On remarquera que cette démarche intellectuelle s’apparente à celle q ui est déjà mise en œuvre dans d’autres thèmes de ce programme, notamment en électronique analogique, où l’on enseigne aux étudiants à raisonner sur les modèles que constituent, par exemple, les caractéristiques des composants). Une telle approche conduit à ne pas étudier les machines en elles -mêmes, mais à plutôt à étudier les relations existant entre les grandeurs électriques et les grandeurs mécaniques. Pour tous les types de machines il existe en effet des relations de même nature, d’une part entre la vitesse de rotation (Ω), la tension (V) et la fréquence (f) et, d’autre part, entre le moment du couple (T) et le courant (I). N.B : volontairement la puissance électrique n'est pas évoquée lors de l'étude des machines, elle sera étudiée au niveau des convertisseurs statiques : en effet, la formule P = UI cos ϕ est un cas particulier qui ne peut plus s'appliquer dans le fonctionnement des machines modernes. Page 3/4 3 Rénovation du programme du B.T.S Informatique Industrielle version 4.1 (extrait) étape 9 26/01/2002 __________________________________________________________________________________________ Activités de laboratoire : N.B 1 : La mise en œuvre de moteurs électriques permet de contin uer la sensibilisation de l’étudiant au problème de la sécurité électrique en B.T.A (Basse Tension du domaine A) et par conséquent aux procédures adaptées aux manipulations au voisinage de la B.T.A. N.B.2 : Dans les laboratoires de Physique appliquée, il arrive très souvent qu’un banc comporte plusieurs machines électriques : il conviendra d’être attentif à faire identifier par les étudiants, d’une part, la machine d’étude et, d’autre part, la machine d’entraînement ou la machine servant à simuler une char ge mécanique. T.P: moteur pas à pas. Les étudiants mettront en œuvre une maquette de moteur pas à pas. Ils utiliseront (mais ne réaliseront pas) une commande appropriée pour faire fonctionner un moteur en pas entier, en demi -pas, en survitesse et pour changer le sens de rotation. Le professeur signalera que les moteurs pas à pas permettent de simplifier les asservissements en supprimant la chaîne de retour. T.P: moteur alimenté en B.T.A. Les étudiants mettront en œuvre un moteur électrique alimenté en B.T.A (moteur à courant continu ou moteur asynchrone). Ils y effectueront des mesures sur les principales grandeurs d’entrée (tension, courant, puissance) et de sortie (puissance, vitesse, couple) ; ils en relèveront la caractéristique électrique et la car actéristique mécanique (pour cela, des mesures informatisées sont vivement conseillées). Ils visualiseront à l'oscilloscope l’image du courant absorbé par un moteur. Ils pourront également visualiser l’image de la puissance absorbée par un moteur à l’aide, par exemple, d’une système d’acquisition automatique. Ils commanderont la vitesse d’un moteur électrique par son variateur approprié : ils régleront cette commande pour obtenir un point de fonctionnement donné et ils mettront en évidence grandeurs de comm ande et grandeurs commandées. Page 4/4 3
