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Yverdon-les-Bains, le 26 avril 2006 Faculté des Techniques industrielles Format

Yverdon-les-Bains, le 26 avril 2006 Faculté des Techniques industrielles Formation en emplois Filière Conception Automatisation Industrielle Bernard SCHNEIDER et Alain BEURET Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2006 L’électricité au service des machines HEIG-VD 2 Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2006 Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003, 2004, 2005, 2006 La copie de ce document, quelle qu’en soit la forme et le support, n’est pas autorisée sans l’accord formel des auteurs. Par ail- leurs, ceux-ci ne prennent aucune responsabilité relative à des erreurs éventuelles du contenu, ni aux droits de reproduction de certaines des images utilisées. Toutes propositions d’améliorations et de corrections seront les bienvenus. HEIG-VD L’électricité au service des machines Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2006 3 Table des matières 1 L’automatisation des machines ........................................................5 1.1 Modèles structurels ...............................................................................................................7 1.2 Modèles fonctionnels...........................................................................................................15 1.3 Automates programmables .................................................................................................33 2 Alimentation des machines et installations...................................47 2.1 Les dangers de l’électricité..................................................................................................47 2.2 Conception de l’alimentation des machines ........................................................................60 3 Appareils de mesure et capteurs ....................................................65 3.1 Appareils de mesure ...........................................................................................................65 3.2 Généralités sur les capteurs de mesures............................................................................72 3.3 Capteurs de position et de vitesse ......................................................................................74 3.4 Capteurs de température.....................................................................................................82 3.5 Capteurs de force, de pression et d’accélération ................................................................86 3.6 Capteurs de proximité .........................................................................................................89 3.7 Capteurs de niveau .............................................................................................................96 3.8 Capteurs de débit..............................................................................................................100 3.9 Capteurs chimiques et physiques......................................................................................106 4 Actionneurs et moteurs électriques .............................................107 4.1 Le mouvement dans les machines....................................................................................107 4.2 Les familles d’actionneurs.................................................................................................121 4.3 Bases de l’électromagnétisme...........................................................................................131 4.4 Moteur à courant continu et moteur « universel » .............................................................139 4.5 Moteur synchrone et servomoteur sans balais..................................................................153 4.6 Moteur asynchrone............................................................................................................169 4.7 Moteur pas à pas...............................................................................................................179 4.8 Moteurs électriques spéciaux............................................................................................187 4.9 Récapitulation....................................................................................................................194 L’électricité au service des machines HEIG-VD 4 Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2006 Index des tables Table 1.1 Repérage d’identification du matériel en électrotechnique............................................13 Table 1.2 États possibles d’une variable binaire ...........................................................................15 Table 1.3 Fonction NON................................................................................................................16 Table 1.4 Fonction ET...................................................................................................................16 Table 1.5 Fonction OU..................................................................................................................16 Table 1.6 Fonctions NON ET (NAND) et NON OU (NOR) ............................................................18 Table 1.7 Fonction OU EXCLUSIF (XOR).....................................................................................18 Table 1.8 Exemple de table de vérité – Fonction « majorité ».......................................................19 Table 1.9 Tables de Karnaugh pour 2, 3, respectivement 4 variables d’entrée.............................20 Table 1.10 Exemple d’une table de Karnaugh – Fonction « majorité »...........................................21 Table 1.11 Exemple d’une table de Karnaugh avec 4 variables d’entrée........................................21 Table 1.12 Exemple de tableau d’état (non réduit) pour le vérin de la Figure 1.7 ...........................25 Table 1.13 Exemple de tableau d’état réduit pour le vérin de la Figure 1.7.....................................26 Table 1.14 Table de vérité – Fonction « bascule RS »....................................................................26 Table 1.15 Tables de Karnaugh pour une bascule RS....................................................................27 Table 1.16 Notation normalisée des variables dans les automates programmables.......................40 Table 1.17 Symboles graphiques des plans de contacts LD...........................................................42 Table 2.1 Résistance électrique du corps humain (valeurs approximatives).................................49 Table 2.2 Types de surcharges et moyens de protection..............................................................54 Table 2.3 Les tensions normalisées CEI les plus utilisées............................................................60 Table 2.4 Les tensions les plus utilisées en traction électrique.....................................................61 Table 3.1 Types de thermocouples, matériaux utilisés et étendue de mesure..............................84 Table 3.2 Types de capteurs de niveaux et résumé de leurs caractéristiques..............................96 Table 3.3 Types de capteurs de débit et résumé de leurs caractéristiques.................................100 Table 4.1 Vitesses synchrones en fonction de la fréquence et du nombre de pôles...................159 Table 4.2 Propriétés des moteurs pas à pas...............................................................................183 Table 4.3 Emploi des diverses technologies de moteurs électriques..........................................194 HEIG-VD L’électricité au service des machines Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2006 5 1 L’automatisation des machines Pour concevoir une machine, dans le sens le plus large du terme, l’ingénieur doit étudier simultanément sa structure et son fonctionnement. Une machine est un système, matériel ou virtuel, qui effectue, conformé- ment à des règles définies, des opérations plus ou moins complexes sans intervention humaine. Trois caté- gories de machines peuvent être distinguées : 1. Les machines mécaniques sont un ensemble de pièces ou d’organes liés en eux qui fonctionnent selon les principes de la statique et de la dynamique classique pour réaliser un certain nombre d’opérations. Les engins qui transmettent ou amplifient une force, comme le levier, le treuil ou la grue, appartiennent à cette catégorie. De même le pendule et le mouvement d’horlogerie qui présentent des mouvements pé- riodiques réguliers en font également partie. 2. Les machines énergétiques transforment une forme d’énergie en une autre. Elles mettent en œuvre les principes de la thermodynamique, de l’électromagnétisme ou de la physique atomique. Les machines thermiques, moteurs à combustion, moteurs électriques, générateurs d’électricité, font partie de cette ca- tégorie de machines. 3. Les machines informatiques utilisent et traitent l’information. Elles sont utilisées d’une part pour trans- porter l’information d’un point à un autre de l’espace: le téléphone, la radio, la télévision ou Internet. D’autres servent au traitement de l’information par calculs mathématiques ou logiques, comme les calcu- latrices analogiques ou numériques, les ordinateurs, les commandes programmables et plus générale- ment les circuits électroniques. L’aspect structurel d’une machine décrit l’organisation et la combinaison des différents éléments qui la compose. Cette description se fait en quatre points : • La frontière ou périmètre détermine la limite entre la machine et son environnement sans pour autant l’isoler de celui-ci. La frontière caractérise les entrées et les sorties qui matérialisent les échanges de la machine avec son environnement. Ces échanges peuvent être de trois types : • Matières : produits solides, liquides ou gazeux. • Énergies : électrique, pneumatique, hydraulique, thermique, etc. • Informations : mesures, consignes, alarmes, etc. • Les éléments de la machine qui sont identifiés, dénombrés et classés : bâtis, supports, réducteurs, mo- teurs, vannes, pompes, échangeurs, capteurs, … • Les réseaux de transport et de communication véhiculent la matière, l’énergie et l’information qui circulent dans la machine : arbres de transmission, tuyaux, lignes électriques, bus informatiques, … L’électricité au service des machines HEIG-VD 6 Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2006 • Les réservoirs qui stockent la matière, l’énergie ou l’information : citernes, bâches, trémies, accumula- teurs, tampons, mémoires, disques magnétiques, ... L’aspect fonctionnel présente le fonctionnement de la machine, les opérations qu’elle doit réaliser et la ma- nière dont s’effectuent les échanges entre les différents éléments et leur environnement. Selon les cas cette description comprend : • La circulation des flux de différente nature, matière, produits, énergie, monnaie ou information. Ces flux circulent par les différents réseaux et transitent par les réservoirs. • La description des opérations qui s’effectuent dans un ordre préétabli appelé séquence. L’exécution de ces opérations doit respecter des conditions dues à l’environnement et aux différents modes de fonc- tionnement de la machine. • Les organes de décision reçoivent l’information, la traite et génèrent des actions qui modifient les dé- bits des différents flux. Ces organes peuvent être des opérateurs, des ordinateurs, des commandes pro- grammables, des circuits électroniques, électriques, pneumatiques ou hydrauliques. • Les boucles de rétroaction ou contre-réaction ont pour fonction d’informer les organes de décision du comportement de la machine afin qu’ils puissent ajuster les actions de commande pour que la machine fonctionne conformément aux consignes données. • Les délais dans lesquels doivent s’effectuer les actions pour assurer le bon fonctionnement de la ma- chine. La structure et le fonctionnement d’une machine peuvent être décrits sous forme de texte, mais cette ma- nière est longue et fastidieuse. La présentation d’une machine sous forme de croquis, plans et schémas est plus concise et souvent plus précise. Les schémas représentent un modèle de la machine et servent à l’échange d’informations entre les différents métiers. Mais pour qu’ils puissent être compris par tous ils ne peuvent pas être dessinés n’importe comment, ils doivent respecter des normes établies. HEIG-VD L’électricité au service des machines Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2006 7 1.1 Modèles structurels Les modèles structurels représentent de quoi est constitué une machine ou un système mais ils ne fournis- sent pas d’information de comment elle fonctionne. Une machine est généralement un ensemble complexe d’éléments, mais complexité ne veut pas dire com- plication. Sa structure peut être représentée par un modèle grossier qui présente les éléments principaux ; ceux-ci peuvent subséquemment être décomposés en sous éléments pour affiner le modèle d’origine. Un modèle représente une machine mais ne doit en aucun cas la simplifier. 1.1.1 Schéma bloc Le premier niveau de modélisation est appelé schéma bloc, il donne une vue d’ensemble de la machine : de ses éléments constitutifs principaux et des réseaux d’interconnexion. Chacun des éléments constitue un bloc représenté par une forme géométrique : carré, rectangle, cercle, ovale ou polygone. Les réseaux qui relient les différents éléments sont représentés par des lignes : droites polygonales ou courbes. Les flèches indi- quent le sens des flux. Stock emballage Conditionnement Dépôt produits finis Fabrication Emballage Expédition Produit A Produit C Produit B Production de vapeur Figure 1.1 Exemple de schéma bloc L’électricité au service des machines HEIG-VD 8 Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2006 Si la machine est complexe elle sera représentée par plusieurs niveaux de schémas bloc ; le uploads/Industriel/ automatisation-industrielle.pdf