Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Yverdon-les-Bains, le 5 septembre 2007 Département des Techniques industrielles

Yverdon-les-Bains, le 5 septembre 2007 Département des Techniques industrielles Tronc commun des filières Microtechnique-mécatronique et Systèmes industriels Électricité au service des machines www.iai.heig-vd.ch Bernard Schneider et Alain Beuret Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2007 Électricité au service des machines HEIG-VD 2 Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2007 Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 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 ailleurs, 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 bienvenues. HEIG-VD Électricité au service des machines Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2007 3 Avant-propos Ce document est le support des cours d’électricité, enseigné aux étudiants ingénieurs de 1ère année qui se destinent à la microtechnique-mécatronique (92 périodes) ou aux systèmes industriels (conception, microtechnique, ingénierie, génie thermique – 120 périodes). Un tiers de ces périodes est consacré aux exercices, dont les données sont fournies séparément et pour lesquelles un corrigé est disponible. Ce cours est complété par des travaux de laboratoire (laboratoire d’électricité), répartis sur le 2ème se- mestre, à raison de 28 périodes. Les documents y-relatifs sont distribués séparément. Tous les supports de cours distribués sont également disponibles sous forme de fichiers PDF sur le site http://www.iai.heig-vd.ch/cours.php (suivre les liens « Théorie des circuits linéaires (MI) », respective- ment « Électricité SI »). Bien que ce support de cours soit distribué aux étudiants des deux filières, les cours se distinguent par l’importance accordée à chaque chapitre, comme suit : Chapitre no Titre MI SI 1 Bases de l’électricité ~4 périodes ~10 périodes 2 Théorie des circuits linéaires ~16 périodes ~14 périodes 3 Alimentation des machines et installations ~24 périodes ~20 périodes 4 Actionneurs et moteurs électriques --- ~20 périodes 5 Inductance, condensateur, régime transitoire ~28 périodes ~18 périodes 6 Impédance et fonction de transfert ~20 périodes ~18 périodes 7 L’automatisation des machines --- ~12 périodes 8 Appareils de mesure et capteurs --- --- Électricité au service des machines HEIG-VD 4 Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2007 (Cette page est laissée intentionnellement vide.) HEIG-VD Électricité au service des machines Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2007 5 Table des matières Chapitre 1 Bases de l’électricité...............................................................9 1.1 L’électricité ... virtuelle ou réelle ? .........................................................................................9 1.2 Les emplois de l’électricité...................................................................................................10 1.3 Règles de notations et unités ..............................................................................................23 1.4 Grandeurs physiques de base de la mécanique .................................................................30 1.5 Grandeurs de base de l’électricité.......................................................................................44 Chapitre 2 Théorie des circuits linéaires...............................................61 2.1 Principes généraux..............................................................................................................61 2.2 Circuits électriques..............................................................................................................67 2.3 Combinaisons simples de résistances.................................................................................72 2.4 Sources de tension et de courant........................................................................................83 2.5 Réduction des circuits .........................................................................................................90 Chapitre 3 Alimentation des machines et installations .......................95 3.1 Alimentations à tension continue.........................................................................................95 3.2 Alimentations à tension alternative....................................................................................101 3.3 Alimentations à tension alternative triphasée ....................................................................116 3.4 Les dangers de l’électricité................................................................................................125 3.5 Conception de l’alimentation des machines ......................................................................137 Chapitre 4 Actionneurs et moteurs électriques..................................143 4.1 Le mouvement dans les machines....................................................................................143 4.2 Les familles d’actionneurs.................................................................................................156 4.3 Bases de l’électromagnétisme...........................................................................................164 4.4 Moteur à courant continu et moteur « universel » .............................................................172 4.5 Moteur synchrone et servomoteur sans balais..................................................................185 4.6 Moteur asynchrone............................................................................................................200 4.7 Moteur pas à pas...............................................................................................................209 4.8 Moteurs électriques spéciaux............................................................................................216 4.9 Récapitulation....................................................................................................................223 Chapitre 5 Inductance, condensateur, régime transitoire .................225 5.1 Bases physiques et mathématiques..................................................................................225 5.2 Systèmes physiques en régime transitoire........................................................................231 5.3 Inductance.........................................................................................................................242 5.4 Condensateur....................................................................................................................256 5.5 Modélisation R – C de la conduction thermique ................................................................271 5.6 Théorie des circuits en régime transitoire..........................................................................273 Chapitre 6 Impédance et fonction de transfert ...................................277 6.1 Bases mathématiques.......................................................................................................277 6.2 Représentation complexe des signaux sinusoïdaux..........................................................281 Électricité au service des machines HEIG-VD 6 Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2007 6.3 Impédance – loi d’Ohm généralisée ................................................................................ 284 6.4 Fonction de transfert et diagramme de Bode.................................................................... 292 Chapitre 7 L’automatisation des machines ........................................305 7.1 Modèles structurels........................................................................................................... 307 7.2 Modèles fonctionnels........................................................................................................ 315 7.3 Automates programmables............................................................................................... 333 Chapitre 8 Appareils de mesure et capteurs ......................................347 8.1 Appareils de mesure......................................................................................................... 347 8.2 Généralités sur les capteurs de mesures ......................................................................... 354 8.3 Capteurs de position et de vitesse.................................................................................... 356 8.4 Capteurs de température.................................................................................................. 364 8.5 Capteurs de force, de pression et d’accélération.............................................................. 368 8.6 Capteurs de proximité....................................................................................................... 371 8.7 Capteurs de niveau........................................................................................................... 378 8.8 Capteurs de débit ............................................................................................................. 382 8.9 Capteurs chimiques et physiques..................................................................................... 388 Chapitre 9 Annexes...............................................................................389 9.1 Alphabet grec ................................................................................................................... 389 9.2 Bibliographie et références............................................................................................... 390 HEIG-VD Électricité au service des machines Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2007 7 Index des tables Table 1.1 Unités de base et unités géométriques SI.....................................................................25 Table 1.2 Principales grandeurs et unités dérivées utilisées en électricité....................................26 Table 1.3 Préfixes multiplicateurs des unités SI............................................................................27 Table 1.4 Principales unités « hors norme » utilisées en électricité..............................................28 Table 1.5 Principales unités anglo-saxonnes................................................................................29 Table 1.6 Tableau de comparaison électricité – hydraulique – conduction thermique..................51 Table 1.7 Résistivité et coefficient de température de quelques matériaux ..................................54 Table 1.8 Convention de signe pour la puissance électrique........................................................57 Table 1.9 Relations entre R, iR(t), uR(t) et PR(t).............................................................................58 Table 3.1 Le jeu des racines de 2 et de 3 dans les alimentations triphasées .............................119 Table 3.2 Résistance électrique du corps humain (valeurs approximatives)...............................126 Table 3.3 Types de surcharges et moyens de protection............................................................131 Table 3.4 Les tensions normalisées CEI les plus utilisées..........................................................137 Table 3.5 Les tensions les plus utilisées en traction électrique...................................................138 Table 4.1 Vitesses synchrones en fonction de la fréquence et du nombre de pôles...................191 Table 4.2 Propriétés des moteurs pas à pas...............................................................................213 Table 4.3 Emploi des diverses technologies de moteurs électriques..........................................223 Table 5.1 Quelques valeurs de la fonction exponentielle décroissante.......................................230 Table 5.2 Permittivité relative de quelques matériaux.................................................................258 Table 5.3 Équivalence des grandeurs thermiques et électriques pour la modélisation...............272 Table 5.4 Résumé des relations relatives aux résistances, inductances et condensateurs........275 Table 6.1 Comparaison des résistance, inductance et condensateur en régime sinusoïdal.......288 Table 6.2 Diagramme de Bode de quelques fonctions de transfert simples ...............................296 Table 7.1 Repérage d’identification du matériel en électrotechnique..........................................313 Table 7.2 États possibles d’une variable binaire.........................................................................315 Table 7.3 Fonction NON .............................................................................................................316 Table 7.4 Fonction ET.................................................................................................................316 Table 7.5 Fonction OU................................................................................................................316 Table 7.6 Fonctions NON ET (NAND) et NON OU (NOR)..........................................................318 Table 7.7 Fonction OU EXCLUSIF (XOR) ..................................................................................318 Table 7.8 Exemple de table de vérité – Fonction « majorité » ....................................................319 Table 7.9 Tables de Karnaugh pour 2, 3, respectivement 4 variables d’entrée ..........................320 Table 7.10 Exemple d’une table de Karnaugh – Fonction « majorité ».........................................321 Table 7.11 Exemple d’une table de Karnaugh avec 4 variables d’entrée......................................321 Électricité au service des machines HEIG-VD 8 Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2007 Table 7.12 Exemple de tableau d’état (non réduit) pour le vérin de la Figure 7.7 .........................325 Table 7.13 Exemple de tableau d’état réduit pour le vérin de la Figure 7.7...................................326 Table 7.14 Table de vérité – Fonction « bascule RS »..................................................................326 Table 7.15 Tables de Karnaugh pour une bascule RS..................................................................327 Table 7.16 Notation normalisée des variables dans les automates programmables.....................340 Table 7.17 Symboles graphiques des plans de contacts LD.........................................................343 Table 8.1 Types de thermocouples, matériaux utilisés et étendue de mesure............................366 Table 8.2 Types de capteurs de niveaux et résumé de leurs caractéristiques............................378 Table 8.3 Types de capteurs de débit et résumé de leurs caractéristiques.................................382 Table 9.1 Alphabet grec..............................................................................................................389 HEIG-VD Électricité au service des machines Copyright © Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2007 9 Chapitre 1 Bases de l’électricité 1.1 L’électricité ... virtuelle ou réelle ? Beaucoup de traités d’électricité, comme [1], commencent à peu près par ces termes : « Afin de com- prendre la nature et l’origine de l’électricité, on doit examiner la structure même de la matière (…) des élec- trons et leur distribution à l’intérieur d’un corps. » Toutefois, avant d’entrer dans ce monde de l’infiniment petit, focalisons-nous plutôt sur les manifesta- tions, les effets et l’utilisation de l’électricité, pour nous convaincre que quelque chose de bien réel et de bien utile se cache derrière ces virtual realities. C’est probablement des coups de foudre et les incendies de forêt ainsi provoqués qui ont incité nos ancêtres à utiliser le feu pour améliorer leurs conditions de vie. L’électricité sous une forme plutôt effrayante est ainsi l’une des origines de notre évolution technologique. Bien sûr, ce n’est pas la seule : Les outils, la roue, voire les expérimentations agricoles et animales contribuèrent largement au développement de l’humanité. L’évolution des techniques de production, de la révolution industrielle à nos jours, a vu le développe- ment simultané des connaissances et procédés mécaniques et électriques, puis informatiques. Ce dévelop- pement très imbriqué n’est pas le fruit du hasard. Il résulte de la nécessité de combiner ces différents savoir- faire pour assurer le succès des nouveaux produits. Les ingénieurs de la fin du XIXème siècle faisaient certai- nement de la mécatronique avant même que ce terme soit inventé. Ce modèle d’approche multi technologique est également la clé des succès futurs. Il ne signifie pas que chaque ingénieur doive maîtriser toutes les technologies, bien au contraire. Si un uploads/Industriel/ electricite-au-service-des-machines-mecatronique.pdf