Sciences Math B
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www.9alami.com SCIENCES DE L’INGENIEUR Manuel de cours chaîne d'énergie www.9alami.com Sciences Math B 2014/2015 Manuel de cours 2SMB-2014/2015 https://sites.google.com/site/profsi2015/ 1 [email protected] [email protected] Table des matières Alimenter .................................................................................................................................................5 .I Introduction : ............................................................................................................................................................. 5 .II Situation : ..................................................................................................................................................................... 5 Energie Electrique : Réseau national : ...................................................................................................6 .I Définition : .................................................................................................................................................................... 6 .II Caractéristiques : ...................................................................................................................................................... 6 .III Principe de production ........................................................................................................................................... 6 .IV Grandeur physique de l’énergie électrique .................................................................................................... 7 Energie électrique : Alimentation autonome ........................................................................................12 .I Piles et Accumulateurs......................................................................................................................................... 12 .II Groupe électrogène ............................................................................................................................................... 12 .III Eoliennes .................................................................................................................................................................... 12 .IV Panneaux solaires .................................................................................................................................................. 13 .V Applications : ........................................................................................................................................................... 13 Convertir une tension Ac en une tension Dc ........................................................................................14 .I Intérêt : ....................................................................................................................................................................... 14 .II Principe : .................................................................................................................................................................... 14 .III Adapter la tension Réseau .................................................................................................................................. 15 .IV Redresser la tension .............................................................................................................................................. 16 .V Filtrer la tension redressée ................................................................................................................................ 17 .VI Application : (Voir Manuel d’activités) ......................................................................................................... 17 .VII Réguler la tension filtrée..................................................................................................................................... 18 .VIIILisser le courant ..................................................................................................................................................... 18 .IX Stabiliser la tension par diode Zener ............................................................................................................. 18 Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Isoler et protéger une installation électrique ........................................................................................19 .I Sectionneur ............................................................................................................................................................... 19 .II Relais thermique..................................................................................................................................................... 19 .III Disjoncteur ................................................................................................................................................................ 20 .IV Fusibles ....................................................................................................................................................................... 20 .V Application et Exercices ...................................................................................................................................... 20 Alimenter en Energie Pneumatique ......................................................................................................21 .I Production de l'énergie pneumatique ........................................................................................................... 21 .II Groupe de Conditionnement .............................................................................................................................. 22 .III Grandeurs Physiques ............................................................................................................................................ 22 .IV Applications et Exercices .................................................................................................................................... 22 2 [email protected] Distribuer : ............................................................................................................................................23 .I Présentation : ........................................................................................................................................................... 23 .II Situation..................................................................................................................................................................... 23 Distribuer l’énergie électrique : ...........................................................................................................23 .I Contacteurs (courant fort)................................................................................................................................. 24 .II Relais (Courant faible) ......................................................................................................................................... 27 .III Relais statique ......................................................................................................................................................... 28 .IV Applications : ........................................................................................................................................................... 28 Distribuer en Modulation de l’énergie .................................................................................................29 .I Fonction : ................................................................................................................................................................... 29 .II Principe : .................................................................................................................................................................... 29 .III Types de convertisseur statique ....................................................................................................................... 29 .IV Interrupteurs utilisés ............................................................................................................................................ 30 .V Hacheur ...................................................................................................................................................................... 31 .VI Redresseur commandé ......................................................................................................................................... 32 .VII Gradateurs : .............................................................................................................................................................. 32 .VIIIOnduleur .................................................................................................................................................................... 34 Distribuer l’énergie Pneumatique et Hydraulique ...............................................................................35 .I Distributeurs ............................................................................................................................................................ 35 .II Règles de câblage ................................................................................................................................................... 38 .III Schéma pneumatique ........................................................................................................................................... 38 CONVERTIR .........................................................................................................................................43 .I Situation : .................................................................................................................................................................. 43 Moteur à courant continu......................................................................................................................43 .I Fonction ..................................................................................................................................................................... 43 .II Symbole: ..................................................................................................................................................................... 43 Manuel de cours 2SMB-2014/2015 .III Constitution: ............................................................................................................................................................. 44 .IV Types de moteurs CC ............................................................................................................................................. 44 .V Principe ...................................................................................................................................................................... 44 .VI Modèle équivalent du moteur à courant continu ..................................................................................... 44 .VII Relations fondamentales..................................................................................................................................... 45 .VIIIVariation de la vitesse du moteur ................................................................................................................... 45 .IX Sens de rotation d'u Moteur CC ........................................................................................................................ 45 .X Bilon des Puissances et rendement ................................................................................................................. 46 .XI Applications:............................................................................................................................................................. 46 Moteurs asynchrones triphasés .............................................................................................................47 .I Principe et Symboles ............................................................................................................................................. 47 3 [email protected] .II Constitution: moteur asynchrone triphasé ................................................................................................. 47 .III Caractéristiques ...................................................................................................................................................... 48 .IV démarrage des Moteurs Asynchrones ........................................................................................................... 50 Moteur pas à pas ...................................................................................................................................53 .I Introduction ............................................................................................................................................................. 53 .II Symbole : .................................................................................................................................................................... 53 .III Constitution .............................................................................................................................................................. 53 .IV Principe de fonctionnement: ............................................................................................................................. 54 Vérins Pneumatiques.............................................................................................................................55 .I Fonction ..................................................................................................................................................................... 55 .II Constitution .............................................................................................................................................................. 55 .III Types de verins : ...................................................................................................................................................... 56 .IV Détermination d'un vérin ................................................................................................................................... 58 .V Réglage de la vitesse ............................................................................................................................................. 59 Manuel de cours 2SMB-2014/2015 .VI Application : ............................................................................................................................................................. 59 4 [email protected] Alimenter .I Introduction : Pour agir sur la matière d'œuvre, un système automatisé a besoin d’énergie, qui subira de nombreux traitements pour être adaptés à la nature de l'action sur la matière d'œuvre. La chaine d’énergie traite donc ces aspects qui peuvent être modélisés par les fonctions génériques qui s'appliquent sur la plupart des systèmes ; il s'agit des fonctions : Alimenter ; Distribuer ; Convertir ; Transmettre Chaine d’Energie Alimenter Distribuer Convertir Transmettre MOE Agir sur la MO .II MOS Situation : Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Chaine d’Energie Alimenter Distribuer Convertir Energie Electrique Alimentation Secteur ’’Réseau ONE” Alimentation Autonome : Locale Energie Pneumatiques Energie Hydraulique 5 [email protected] Transmettre Energie Electrique : Réseau national : .I Définition : On appelle réseau électrique l'ensemble des infrastructures permettant d'acheminer l'énergie électrique des centrales électriques (sites de production), vers les consommateurs d'électricité. .II Caractéristiques : Courant alternatif Fréquence 50 Hz Tensions : 220V simple / 380V composée .III Principe de production Manuel de cours 2SMB-2014/2015 III.1 Alternateur triphasé La rotation d’un aimant ou un électroaimant à vitesse constante Ns devant 3 bobines fixes disposées à 120° l'une de l'autre Crée 3 tensions alternatives déphasées de 120° l'une par rapport à l'autre de fréquence f tel que : = Ns: vitesse de rotation de l’alternateur en Tr/s f : fréquence des tensions produites en Hz p : nombre de paires de pôles de l’alternateur. 6 [email protected] III.2 Exemple de centrale électrique III.3 Fonction d’un Alternateur Energie Mécanique Convertir l'Energie Mécanique en Energie Electrique Energie primaire : Vent, Eau Génération de la Vapeur .IV IV.1 1.1 Alternateur Grandeur physique de l’énergie électrique Courant Continu Intensité du courant continu Le courant électrique s'exprime en Ampères (A) (A) Manuel de cours 2SMB-2014/2015 (s) 1.2 Tension électrique La tension électrique s'exprime en Volts (V) 7 [email protected] Energie Electrique Monophasée Triphasée 1.3 Loi des nœuds 1.4 Loi des mailles Maille ABCDA: UAD- UAB– UBC+ UDC=0 Branche AC: UAC– UAD-UDC=0 1.5 Convention des Dipôles : Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Générateur : U.I > 0 1.6 Récepteur : U.I < 0 Loi d’Ohm U.= RI 8 [email protected] 1.7 Diviseur de tension 1.8 Diviseur de courant 1.9 Puissance et Énergie électrique P= U.I U: Volts (V) I: Amperes (A) P: Watts (W) E: Joules ou Watts heure (J) ou Wh t: temps (s) E = P.t IV.2 Applications et Exercices : (Voir manuel d’activités) IV.3 Valeurs instantanées Manuel de cours 2SMB-2014/2015 3.1 Courant alternatif monophasé 9 [email protected] 3.2 Valeurs efficaces V= 3.3 I= √ √ Dephasage couront tesion selon la charge : Résistance φ=0 R Bobine φ=π/2 L Condensateur φ= -π/2 C 3.4 Puissance Active P= U.I Cos(φ) 3.5 U: en Volts I: Ampers P: Watts Q:en V.A.R S:en V.A Φ : déphasage courant / tension en rd Puissance réactive Q= U.I Sins(φ) 3.6 Puissance Apparente S= U.I IV.4 Courant alternatif triphasé Manuel de cours 2SMB-2014/2015 L’énergie électrique est produite, transportée et consommée sous forme de systèmes triphasés. Un système triphasé est dit équilibré si les valeurs efficaces des 3 courants sont égales. 10 [email protected] 4.1 Tensions simples Tensions entre phase et neutre. : V= U1 = U2 = U3 V=230 V 4.2 Tensions composées Tensions entre phases U= U12 = U23 = U31. U=√3 V=400 V 4.3 Puissance Active en W P=√ U.I Cos(φ) 4.4 Les récepteurs triphasés Un récepteur triphasé est constitué par trois récepteurs monophasés identiques peuvent être couplés de manières : Couplage Etoile Couplage Etoile I=√3 J Manuel de cours 2SMB-2014/2015 U=√3 V Chaque récepteur est soumis à la tension simple du réseau Soit : V=230 V = 230 V Chaque récepteur est soumis à la tension composée du réseau Soit : U = 400 V 11 [email protected] Energie électrique : Alimentation autonome .I Piles et Accumulateurs I.1 L’énergie électrique est produite par effet chimique: un accumulateur est rechargeable inversement à une pile Capacité (en Ah) La capacité est à la charge maximale pouvant être fournie par l’accumulateur, ou la pile L’énergie massique d’une pile se situe entre 100 et 300 Wh/kg ; L’énergie volumique peut être évaluée de 0,25 à 1,5 Wh / cm3. I.2 Exemple : L’iPhone 6 embarque une batterie de 1810 mAh fonctionnant en 3,82V, (soit 6,91 Wh), l'iPhone 5s dispose quant à lui d'un accumulateur de 1560 mAh (soit 5,92 Wh) I.3 Energie et puissance = . = Q en ( Ah) : Quantité d’électricité débitée par le courant pendant une durée dt : . P : en W : Puissance fournie par le générateur: W : en (Wh) ou J : Energie W fournie par la pile = . 1 Wh = 3600 J .II Groupe électrogène L’alternateur est entraîné par un moteur thermique Manuel de cours 2SMB-2014/2015 .III Eoliennes L’alternateur est entraîné par le vent grâce aux pales. Pales Multiplicateur Alternateur 12 [email protected] .IV Panneaux solaires L’énergie solaire est, en réalité, produite par deux types de panneaux IV.1 Panneaux solaires thermiques : Ils convertissent le rayonnement solaire en chaleur nécessaire à évaporer l’eau qui entrainera la turbine d’un alternateur. IV.2 Panneaux solaires photovoltaïques : Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Ils convertissent la lumière du soleil en électricité grâce à un phénomène physique propre à certains matériaux appelés semi-conducteurs (silicium cristallin) « L’effet photovoltaïque » .V Applications : (Voir manuel d’activités) 13 [email protected] Convertir une tension Ac en une tension Dc .I Intérêt : Certain actionneurs « Moteur » fonctionnent en courant continu d’où l’inter de convertir la tension du réseau AC en tension DC Manuel de cours 2SMB-2014/2015 .II Principe : II.1 Réalisation pratique : II.2 Schémas électrique : ………………………. ………………………. ………………………. ………………………. 14 [email protected] ………………………. .III Adapter la tension Réseau 12 V 50 Hz 220 V 50 Hz Adapter la tension Ac Transformateur III.1 Principe du transformateur : III.2 Rapport de transformation Le transformateur est : = III.3 = Élévateur de tension. Si m>1 Abaisseur de tension Si m<1 Puissance apparente U1 : tension primaire S=UI S1 = S2 S1 = U1.I1 S2 = U20.I2 U20 : tension a vide secondaire N : nombre de spires S : puissance apparente en V.A Symboles : Manuel de cours 2SMB-2014/2015 III.4 15 [email protected] .IV Redresser la tension Cette fonction est réalisée à l’aide d’un Pont de diodes Graetz 12 V Redressée 12 V 50 Hz Redresser la tension AC Redresseur IV.1 Redressement simple alternance v(t ) V 2 . sin(.t ) v (t ) U u (t) (t ) v (tV)(t) IV.2 u (t ) Valeur moyenne : = .√ = / = IV.3 ( ) . . .√ . ( ). Redressement double alternance v (t ) v(t ) V 2 . sin(.t ) u (t ) v (t ) u (t ) Us moy Manuel de cours 2SMB-2014/2015 IV.4 Valeur moyenne : IV.5 = . .√ Diodes D1 D2 D3 D4 Symboles : 16 [email protected] Alternance positive Alternance négative ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ Compléter par passante ou bloquée .V Filtrer la tension redressée Cette fonction est réalisée à l’aide d’un condensateur Tension Redressée Tension Filtrée Filtrer la tension redressée Filtre V.1 Principe : Le condensateur en se chargeant et en se déchargeant diminue l’ondulation du signal redressé V.2 Symbole : V.3 Capacité C pour un taux d’ondulation T La qualité du filtrage est définie par le taux d’ondulation T Le signal est meilleur si la valeur C est suffisamment grande. Manuel de cours 2SMB-2014/2015 C= .VI ∆U : Tension aux bornes du condensateur .∆ ∆t : Temps de décharge (environ 8ms) ∆ I: Courant débité par le redresseur C: Capacité du condensateur ∆U/Umax : Taux d'ondulation (en %) Application : (Voir Manuel d’activités) Calculer la valeur du condensateur de filtrage pour une alimentation devant fournir au minimum 12V. I=1A, Taux d'ondulation =10% ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… 17 [email protected] .VII Réguler la tension filtrée VII.1 Fonction du régulateur C’est un composant électronique à base de semi conducteur qui permet de de tension qui maintenir constante la tension de sortie Tension filtrée Réguler la tension Tension Continue Régulateur VII.2 Schéma électrique : Le 7812 maintien la sortie a 12 V Le 7815 maintien la sortie a 15 V .VIII Lisser le courant Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Cette fonction est réalisée à l’aide d’une bobine L. .IX Stabiliser la tension par diode Zener La diode Zéner devienne passante dans le sens inverse à partir d'une tension dite zéner qui ne varie plus à ses bornes. 18 [email protected] Isoler et protéger une installation électrique .I Sectionneur I.1 Fonction: Installation sous tension Isoler (mettre hors tension) une installation électrique Sectionneur I.2 .II II.1 Symbole Relais thermique Fonction : Installation non protégée Protéger contre Contre les surcharges et coupures de phase Relais thermique Symbole Manuel de cours 2SMB-2014/2015 II.2 19 [email protected] Installation protégée Installation hors tension .III Disjoncteur III.1 Fonction : Installation non protégée Protéger contre les incidents de surcharge ou court-circuit. Installation protégée Disjoncteur III.2 Symboles Sectionneur disjoncteur contacteur intégrés .IV Manuel de cours 2SMB-2014/2015 IV.1 Fusibles Fonction : Installation non protégée Protéger contre les incidents de surcharge ou court-circuit. Fusibles IV.2 .V Symbole électrique Application et Exercices (Voir manuel d’activités) 20 [email protected] Installation protégée Alimenter en Energie Pneumatique .I Production de l'énergie pneumatique La source de cette énergie est l’air comprimé par un compresseur et stocké dans un réservoir Accumulateur. I.1 Installation pneumatique industrielle Groupe de conditionnement Reservoir Accumulateur Compresseur Manuel de cours 2SMB-2014/2015 I.2 compresseuer 2.1 Symbole : 2.2 Principe : Energie mécanique …………………………………………… ……………………… Compresseur 21 [email protected] Energie Pneumatique .II II.1 Groupe de Conditionnement Fonction : Trois fonctions de base sont nécessaires pour assurer le bon traitement de l’air Composant Filtre Régulateur de pression Lubrificateur Adapter la pression Lubrifier : Symbole Fonction Filtrer : éliminer les impuretés et l’eau condensée II.2 (à l’aide d’une huile de lubrification) Symbole normalisé .III Grandeurs Physiques III.1 Pression Manuel de cours 2SMB-2014/2015 La force mécanique produite par l’énergie pneumatique est liée à la pression par la relation : F : Force résultante en N P : Pression en Pascals (Pa) S : Surface en m2 V : Vitesse en m/s Q : Débit en m3/s III.2 Débit : 1 Pa = 1 N/m2 1 bar = 105 Pa = 1 daN/cm2 1 bar = 105 N/m2 Q = V .S C’est le volume du fluide, qui s'écoule au droit d'une section, pendant l'unité de temps en m3/s. .IV Applications et Exercices (Voir Manuel d’activité) 22 [email protected] Distribuer : .I Présentation : La fonction « distributeur l’énergie » est assurée par des constituants de la chaine d’énergie appelés : Pré actionneurs Ordre de la chaine d’information ou PC Energie disponible Energie distribuée vers les actionneurs Distribuer l’énergie Pré actionneurs .II Situation Chaine d’Energie Alimenter Distribuer Convertir Transmettre Contacteurs Relais Variateurs de vitesse Distributeurs Distribuer l’énergie électrique : Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Deux possibilités peuvent être envisagées : Distribuer l’énergie électrique en 1 : TOR 2 : Modulation de l’énergie Tout ou rien Le flux d'énergie existe ou n'existe pas L’énergie est distribuée de façon graduelle Contacteurs Relais électromagnétiques Relais statiques 23 [email protected] Redresseur commandé Gradateur Onduleur Hacheur Variateurs de vitesse .I I.1 Contacteurs (courant fort) Fonction Associés aux actionneurs électriques de puissance, principalement les moteurs les contacteurs sont aptes à commander de forts courants. Le contacteur dispose d’un pouvoir de coupure I.2 Principe : I.3 Symbole normalisé : Circuit de puissance Manuel de cours 2SMB-2014/2015 I.4 Circuit de commande Contacts auxiliaires de commande NO : Normalement Ouvert NF : Normalement Fermé Contact Inverseur Contact (NO) temporisé au travail Contact (NF) temporisé au repos Bobine équipée d’un bloc temporisé au travail Bobine équipée d’un bloc temporisé au repos 24 [email protected] I.5 5.1 Exemple d’utilisation : Cablage d’un moteur asynchrone triphasé Sectionneur Disjoncteurs Transformateur Signalisation : Présence tension : H2 Contacteur H1 Signalisation : Disfonctionnement Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Relais thermique Arrêt d’urgence Bouton d’Arrêt Moteur Bouton de marche 25 [email protected] 5.2 Schéma électrique Identifier le nom des composants sur le schéma : ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… ………………… Manuel de cours 2SMB-2014/2015 …………………… ……………… ………………… ………………… ………………… …………… I.6 Circuit de commande Circuit de puissance Fonctionnement Une impulsion sur S3 enclenche KM1 qui s’autoalimente (par son contact auxiliaire Km1). Le moteur tourne. Une impulsion sur S2 provoque l’arrêt. Le moteur s’arrête 26 [email protected] .II Relais (Courant faible) Ils permettent de commander un circuit de puissance à partir d’un circuit de commande. Il sert également à commander plusieurs organes simultanément grâce à ses multiples contacts synchronisés. II.1 Relais électromagnétique 1.1 Principe 1.2 Symbole 1.3 Commande par transistor Le transistor T permet de réaliser un interrupteur commandé par un courant ou une tension. Manuel de cours 2SMB-2014/2015 La diode D permet de protéger le transistor contre la surtension, due à la charge inductive de la bobine KA »lors de l’ouverture du circuit « T Bloqué » Rappel : le transistor Transistor Bloqué Transistor Saturé 27 [email protected] .III Relais statique 1.1 Principe Le contact est assuré par la conduction d'un triac piloté par optocoupleur pour garantir l'isolement électrique entre commande et puissance : Manuel de cours 2SMB-2014/2015 1.2 Avantages : Durée de vie illimitée 50 fois supérieure à celle d’un relais électromécanique. Fréquence de commutation élevée (jusqu'à 80 fois par seconde) Fonctionnement silencieux Compatibilité avec les environnements sévères faible puissance de commande l’enclenchement au zéro de tension et l’arrêt au zéro de courant limitera considérablement les émissions électromagnétiques du relais statique. .IV Applications : (Voir manuel d’activité) 28 [email protected] Distribuer en Modulation de l’énergie .I Fonction : Un modulateur d'énergie est un montage utilisant des interrupteurs électroniques de puissance permettant, par un séquencement adapté de ces derniers, de faire varier: .II La vitesse d'un moteur (continu ou alternatif) la tension dans une alimentation continue variable l'éclairage d'une lampe la température d'un four ……………………… Principe : Commande Signal d’entré Signal de sortie variable Distribuer l’énergie graduellement Amplitudes, fréquences, phases. Convertisseur statique .III Types de convertisseur statique ALTERNATIVE Gradateur Cyclo-convertisseur Démarrage des moteurs Variation de vitesse Variation éclairage Fours électriques Redresseur commandé Récepteurs en continu, Variation de vitesse Onduleur Variation de vitesse Alimentation en alternatif (site isolé avec des panneaux solaires ou des batteries) Hacheur variation de vitesse des moteurs à courant continu 29 [email protected] APPLICATIONS CONTINUE FONCTION ALTERNATIVE CONTINUE Manuel de cours 2SMB-2014/2015 S CONTINUE SYMBOLE ALTERNATIVE E .IV Interrupteurs utilisés Les interrupteurs électroniques sont des composants à semi-conducteurs que l'on peut commander. C'est pour cela qu'ils ont 3 bornes IV.1 Symbole général : Interrupteurs électroniques unidirectionnels IV.2 Transistor La commutation se fait par injection d'un courant de base ib IV.3 Thyristor Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Un thyristor est une diode commandée par une gâchette Pour qu’il soit passant il lui faut une tension VAk positive ET un courant de gâchette IV.4 Triac Le triac est équivalent à la mise en parallèle de deux thyristors montés tête-bêche. Il peut contrôler le flux de courant sur les deux alternances positive et négative du signal.. 30 [email protected] .V Hacheur Il convertit une tension continue fixe en tension continue variable V.1 Application : Varier la vitesse d’un moteur à courant continu V.2 Schemas de principe : Vcc Usmoy Toff Vcc Ton= α.T T Ve Ve Le transistor commandé T s'ouvre et se ferme périodiquement suivant le signal Ve V.3 Rapport cyclique α= V.4 Tension de sortie V.5 Application : T: Période f= 1/T : fréquence de hachage Ton : temps « Interrupteur fermé» Tof : temps « Interrupteur ouvert» Ve : signal de commande Vcc : Alimentation continu Ex 12o V . Usmoy = α.VCC Manuel de cours 2SMB-2014/2015 H est un interrupteur unidirectionnel Quel est le rôle de la diode D ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………. Quel est le rôle de la bobine L ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………. Sachant que pour L suffisamment grand le courant i est pratiquement constant donner les valeurs des tensions UL, Uc, UM, UD, UH dans les deux états de l’interrupteur H Etat de H UL Uc UM Ouvert Fermé 31 [email protected] UD UH .VI ˷ Redresseur commandé VI.1 Pont Mixte Le retard à l'amorçage (α) des thyristors permet de régler la valeur moyenne de la tension Us et donc la vitesse d'un moteur à courant continu par exemple. D1,D2 : diodes Th1, Th2 : thyristors .VII Gradateurs : VII.1 ˷ ˷ Gradateur à angle de phase Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Il permet d'obtenir une tension alternative variable à partir d'une tension alternative fixe, à l’aide de thyristors ou triac. Le réglage du retard à l'amorçage (α) permet de régler la valeur de la tension de sortie Us 32 [email protected] VII.2 Application : Soit le gradateur ci contre tel que: α =π/2, V réseau 230 V, charge résistive R (180 Ω), 1) Calculer la tension efficace V charge 2) Calculer la puissance P dissipée dans la charge R Réponse : Us = 162V, P = 145 W VII.3 Gradateur à train d'ondes. Quand le temps de réaction de la charge est lent, on utilise le gradateur à train d'ondes : Exemple : four électrique industriel 3.1 Schéma de principe : Identique à l'angle de phase On laisse passer le courant pendant un nombre n entier de périodes : c’est tc, le temps de conduction. Ensuite on bloque le gradateur à l’occasion d’un passage à 0, puis on laisse passer de nouveau pendant le temps tc, etc… Chaque série de n alternances est appelée train d’onde Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Us = Ue, pendant tc 3.2 La puissance moyenne fournie à la charge : = . . tc : temps de conduction réglable en secondes Tc : période du cycle en secondes P nominale = U.I.cos 33 [email protected] .VIII Onduleur ˷ Les onduleurs convertissent une tension continue fixe en une tension alternative de fréquence fixe ou variable VIII.1 Schéma de principe Pour obtenir une tension sinusoïdale, il est nécessaire de filtrer cette tension rectangulaire. Pour obtenir une vitesse variable pour un moteur alternatif, l'onduleur fait varier la fréquence de la tension V :( Le rapport cyclique α = 0,5 donc la valeur moyenne est nulle) VIII.2 Commande MLI Manuel de cours 2SMB-2014/2015 La commande MLI (Modulation largeur d’Imputions) permet d'obtenir une valeur moyenne de la tension V pratiquement sinusoïdale 34 [email protected] Distribuer l’énergie Pneumatique et Hydraulique .I I.1 Distributeurs Principe : Un distributeur est composé principalement d’un corps, d’un tiroir, des orifices d'entrée et de sortie du fluide ou de l’air et une ou deux commandes de pilotage I.2 Symbole normalisé Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Les différents types de distributeurs sont identifiés par le nombre d’orifices et de positions. Pilotage ou commande Positions: 35 [email protected] Orifices: 1,2,3,4,5 I.3 Designation des distributeurs Les distributeurs sont désignés par : Manuel de cours 2SMB-2014/2015 I.4 Le nombre d’orifices (compter sur une case) Le nombre de positions du tiroir (Nombre de case) Le type de commande : Pilotage Repérage des orifices : 1 : orifice d’alimentation en air comprimé, 2 : et 4 orifices d’utilisation, 3 : et 5 orifices d’échappement, 12 : l’orifice de pilotage mettant la voie 1-2 en pression, 14 : orifice de pilotage mettant la voie 1-4 en pression, 10 : orifice de pilotage ne mettant aucune voie en pression. 36 [email protected] I.5 Distributeurs monostables Le distributeur possède une commande par ressort (Repérer les orifices) I.6 Distributeurs bistables Le distributeur possède deux pilotages de même nature (Repérer les orifices) Distributeur monostable Distributeur bistable 2/2 3/2 4/2 5/2 Distributeurs 3 positions Centre fermé Centre à l’échappement Manuel de cours 2SMB-2014/2015 4/3 I.7 Distributeurs 3 positions Centre fermé Centre à l’échappement 5/3 37 [email protected] Centre ouvert .II Règles de câblage Représenter les connexions sur une seule case Pour le 3/2 ou 4/2 l’alimentation se fait par l’orifice de gauche de la case concernée Représente le distributeur dans la position du pilotage actif sur le schéma. L’état de la tige du vérin doit être en rapport avec la position du distributeur. .III Schéma pneumatique III.1 Principaux accessoires Manuel de cours 2SMB-2014/2015 A connaître par cœur 38 [email protected] 1 ….………….. 2 ……………….. 3 …….……..…. 4 ……………… 5 ……………… III.2 Auxiliaires de distribution et canalisation Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Composants Symboles Composants Réservoir Alimentation d’air comprimé Sécheur, déshydrateur Séparateur manuel (purge) Lubrificateur Filtre Manomètre Débitmètre Régulateur de pression Soupape de sécurité Vanne Réducteur de débit Clapet anti retour Clapet anti retour avec ressort Réducteur de débit réglable Réducteur de débit unidirectionnel réglable Sélecteur de circuit, fonction OU Sélecteur à deux entrées, fonction ET Echappement Silencieux Croisement de canalisation Raccordement de canalisation 39 [email protected] Symboles III.3 3.1 Exemple de Schémas : Pneumatique : La tige de piston d’un vérin à double effet doit sortir sous l’action manuelle : OU D’un bouton poussoir D’une pédale. Après avoir atteint la position de fin de course, la tige du vérin revient à sa position initiale avec réduction à l’échappement (contrôle la vitesse d’entrée de la tige du vérin) si : Le bouton poussoir OU la pédale est relâchée. Identifier les elements constituants l’installation ……………………. ……………………. ……………………. ……………………. ……………………. Manuel de cours 2SMB-2014/2015 ……………………. ……………………. ……………………. ……………………. 40 [email protected] ……………………. 3.2 Technologie électropneumatique Circuit de puissance Circuit de commande Electrovanne Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Fonctionnement : La tige complétement rentrée S0 = 1, action sur le bouton poussoir Bp1 provoque la commande du distributeur 4/2 coté YV1 par suite la tige du vérin sort a vitesse rapide puisque l’électrovanne YV2 est commandée par le contact Km Lorsque la tige arrive à la position détectée par S1 la bobine du relais KM n’est plus alimentée et le distributeur 2/2 en position bloquée, la tige du vérin se déplace à vitesse lente jusqu'à S2 qui commande l l’électrovanne YV0 , la tige rentre à vitesse rapide jusqu'à S0 41 [email protected] 3.3 Installation hydraulique Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Un circuit d’hydraulique industriel est représenté schématiquement par des symboles conventionnels normalisés. Un schéma hydraulique représente toujours l’équipement en position repos ou initiale III.4 Applications : Voir Manuel d’activités 42 [email protected] CONVERTIR .I Situation : Chaine d’Energie Alimenter Distribuer Convertir Transmettre Moteurs : Moteur cc Moteur Asynchrones Moteur synchrone Moteur Pas à Pas Electroaimant Energie électrique Hydraulique et pneumatique Pompes hydrauliques Moteurs hydrauliques Compresseurs Générateurs de vide L'objet technique qui réalise la fonction Convertir est appelé Actionneur. Moteur à courant continu Manuel de cours 2SMB-2014/2015 .I Fonction U.I Convertir l'Energie Electrique en Energie Mécanique Moteurs CC .II Symbole: 43 [email protected] C.ω Pertes .III Constitution: La machine à courant continu estconstituée de trois parties principales : Collecteur : Rotor : Stator : Aimant ou ectroaimant .IV Types de moteurs CC Moteur à aimant .V Moteur à excitation parallèle Principe Dans chaque spire alimentée et placée dans le champs magnétique de l’induit, se crée une force électromotrice. La somme de toutes les forces électromotrices des spires Notée : E est proportionnelle à la vitesse de rotation : Manuel de cours 2SMB-2014/2015 .VI Modèle équivalent du moteur à courant continu U = E+ I R Pour moteur à stator bobiné U = E+ I R Ue = Ie r 44 [email protected] Moteur à excitation série R : Résistance interne des conducteurs (Induit : Rotor) E : Force électromotrice U : Tension d’alimentation I : Courant dans l’induit Ie : Courant d’excitation Inducteur « stator » U = E+ I R Ue = Ie r .VII Relations fondamentales VII.1 Couple Ke (en V/rd/s) constante de vitesse Ke’ (en V/tr/min) constante de vitesse Kc (N.m/A) constante de couple N (tr/min) vitesse de rotation C = kc.I VII.2 Vitesse angulaire E = ke. E = ke’.N .VIII Variation de la vitesse du moteur la vitesse N(tr/min) d'un moteur cc est proportionnelle à la force electromotrice E, par suite à la tension à ses bornes, d’où l’utilisation d’un hacheurs pour varier sa vitesse . Us = α Ue Us = E+ I R Us E = ke’.N Manuel de cours 2SMB-2014/2015 .IX Sens de rotation d'u Moteur CC Inverser le sens de rotation d’un moteur cc, revient à Inverser la polarité de sa tension d’alimentation Le pont H à 4 transistors permet de commander le moteur cc dans 2 sens de rotation avec possibilité de contrôler sa vitesse «Fonctionnement Hacheur ». T1 et T2 Sens 1 T3 et T4 Sens 2 45 [email protected] .X Bilon des Puissances et rendement 1.1 Puissance utile C'est la puissance mécanique produite par le moteur pour entraîner la charge : Pu = C.ω 1.2 Puissance absorbée C'est la puissance électrique absorbée par le moteur pour entraîner la charge : Moteur à aimant Moteur à électroaimant Pa = U.I 1.3 Puissance de Pertes Pertes joule P= R.Im2 + re.Ie2 P= R.Im2 Pertes constantes : Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Pa = U.I + Ue.Ie 1.4 rendement .XI Applications: Pc mesurées à vide (mécanique due au frottement et magnétique dans le fer) = La plaque signalétique d'un moteur à courant continu indique : Pu = 36,3 kW, N = 1150 tr/min U = 440V, I = 95,5A Calculer le couple utile, la puissance absorbée et le rendement. Réponse : Cu = 301,4 Nm Pa= 42 kW Rendement =86% XI.1 Série d’exercices : Voir manuel d’activité 46 [email protected] Moteurs asynchrones triphasés Ce type de moteur est couramment utilisé dans l’industrie en raison de sa robustesse, de sa fiabilité et de son faible coût. .I Principe et Symboles .II Constitution: moteur asynchrone triphasé Stator:enroulement ou bobinage relié au réseau. Rotor: enroulement induit, en général en court-circuit (cage d’écureuil) ou à rotor bobiné Manuel de cours 2SMB-2014/2015 47 [email protected] .III Caractéristiques III.1 a Vitesse de Rotation Vitesse statorique (champ tournant) . = Ns: Tour/min b f: Hz Vitesse Rotorique (Arbre Moteur) p: Nombre de pairs de pôles. = (1 − ) N: Tour/min g : Glissement en : % Ns − N g: = Ns III.2 Bilan des Puissances: 2.1 Puissance Absorbé a Moteurs asynchrone triphasé =√ . . . b Moteurs asynchrone monophasé = Manuel de cours 2SMB-2014/2015 2.2 ∅ . . ∅ Puissance Utile = = . 2.3 Rendement : ղ= . 48 [email protected] . . . III.3 Commande du sens de rotation des moteurs Pour changer le sens de rotation d’un moteur asynchrone triphasé, il suffit d’intervertir deux phases. Un verrouillage mécanique évite la fermeture des deux contacteurs KM1 et KM2 simultanément. KM2 fermé Manuel de cours 2SMB-2014/2015 KM1 fermé 49 [email protected] .IV démarrage des Moteurs Asynchrones IV.1 Démarrage direct : Le démarrage direct est utilisé pour les moteurs de petites puissances inférieures à 5 kW 1.1 Schémas Circuit de Puissance Circuit de Commande Q1: KM1: F1: S2: S1: Chronogramme Manuel de cours 2SMB-2014/2015 1.2 50 [email protected] Sectionneur Contacteur Relais Thermique Bouton « marche » Bouton «d’arrêt» IV.2 Démarrage ETOILE TRIANGLE Le démarrage s’effectue en deux temps Vitesse lente : Couplage étoile : Contacteurs KM1 et KM3 actifs Vitesse rapide : Couplage triangle : Contacteurs KM1 et KM4 actifs Le bloc temporisé KM1 et ces contacts associés Km1-2 et Km1-3 se chargent de la commande des contacteurs KM3 et KM4. Schémas 2.2 Chronogramme Manuel de cours 2SMB-2014/2015 2.1 51 [email protected] 2.3 Réalisation pratique Commande d’un moteur asynchrone triphasé deux vitesse un seul sens de rotation Disjoncteur Sectionneur Contacteurs Bloc temporisé Circuit de puissance Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Moteur Circuit de commande Fonctionnement : (Voir cours sur les moteurs asynchrones sur ce manuel) 1) Impulsion sur PB START: les contacteurs K1 et K3 s’enclenchent le moteur démarre à vitesse lente et le bloc temporisé est actif 2) Relâchement de PB START le moteur demeure en marche à vitesse lente le bloc temporisé est actif 3) Apres le temps T réglé sur le bloc temporisé le contacteur K3 se déclenche K2 s’enclenche le moteur tourne à vitesse rapide 4) Impulsion sur PB STOP les contacteurs K1 et K2 se déclenchent et le moteur s’arrête 52 [email protected] Moteur pas à pas .I Introduction Le moteur pas à pas est un moteur qui tourne en fonction des impulsions électriques reçues dans ses bobinages. L'angle de rotation minimal entre deux modifications des impulsions électriques s'appelle un Pas. .II Symbole : .III Constitution Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Stator : plusieurs bobines. Rotor : aimants permanents. 53 [email protected] .IV Principe de fonctionnement: Moteur 4 Pas Le passage d'un courant, successivement dans chaque bobinage, fait tourner le rotor d’un Pas. Pas N :1 Pas N :2 Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Pas N :3 Pas N :4 54 [email protected] Vérins Pneumatiques .I Fonction Energie : Pneumatique Hydraulique Energie mécanique Convertir l’énergie Vérins Constitution Manuel de cours 2SMB-2014/2015 .II 55 [email protected] .III Types de verins : III.1 Le vérin simple effet 1.1 Symbole : 1.2 Constitution : III.2 2.1 Le vérin double effet Symbole : Tige simple Avec amortissement Constitution Manuel de cours 2SMB-2014/2015 2.2 56 [email protected] III.3 vérins spéciaux 3.1 Vérin Rotatif L’énergie du fluide est transformée en mouvement de rotation ; L’angle de rotation peut varier entre 90 et 360° 3.2 Vérin à tige télescopique il permet des courses importantes tout en conservant une longueur repliée raisonnable. 3.3 Multiplicateur de pression Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Il permet à partir d’une pression d’air (P en X), d’obtenir un débit d’huile à une pression plus élevée (P en Y : 10 à 20 fois plus élevée que P en X) 57 [email protected] .IV IV.1 Détermination d'un vérin course d’un verinn : longueur du déplacement à assurer IV.2 Efforts théoriques fournit par le vérin Fth= poussée théorique (daN) S = surface utile du piston (cm²) p = pression de service (bar) IV.3 Efforts réels pour soulever une charge Manuel de cours 2SMB-2014/2015 Fr= T.Fth IV.4 IV.5 T : Taux de charge en % Vitesse d’un vérin V : vitesse (en m/s) Q : débit volumique (en m3/s) S : Surface (en m2) PU : en Watt F : en N PA : en Watt Q : en m/s P pression en Pascal Pa V : Vitesse en m/s Puissance utile d’un vérin PU= P.V IV.6 Puissance absorbée (hydraulique) : PA= Q.P 58 [email protected] .V Réglage de la vitesse Régulateur de débit unidirectionnel RDU Débit maximum Débit réduit .VI Application : VI.1 Voir manuel d’activite VI.2 Exercice Soit le verin hydraulique ci contre Calculer Manuel de cours 2SMB-2014/2015 1) la valeur de la vitesse moyenne v de sortie du vérin (résultat arrondi à 0,01 m/s) ; ....................................................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................................... 2) la valeur de la section S du piston (m²) ; ....................................................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................................... 3) la valeur du débit moyen Q de l’huile pendant la sortie de la tige (m3/s) ; ....................................................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................................... 4) la puissance hydraulique P nécessaire (watts). ....................................................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................................... 59 [email protected]
