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CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville - 1 - Sciences Industriel

CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville - 1 - Sciences Industrielles pour l’Ingénieur 1 - GENERALITES SUR LA CONVERSION D'ENERGIE ELECTRIQUE EN ENERGIE MECANIQUE : TRANSFERTS D'ENERGIE EN REGIME TRANSITOIRE (= DYNAMIQUE) ET PERMANENT (= ETABLI) • Les développements actuels en robotique (machines outils, robots, manipulateurs …) et en variation de vitesse (TGV, voiture électrique, entraînements de toute sorte) nécessitent la réalisation d'ensembles machine - alimentation - commande, qui optimisent les performances statiques et dynamiques des machines électriques utilisées en actionneurs. • La conception de ces ensembles repose sur une approche pluridisciplinaire qui intègre les bases variées du génie électrique, de l'électrotechnique à l'automatique, en passant par l'électronique de puissance et l'informatique industrielle sans oublier la mécanique. Cette complémentarité s'avère nécessaire à l'optimisation des chaînes d'entraînement et à l'amélioration des performances des actionneurs électriques. 1/ Chaîne de transfert de l'énergie • De l'énergie électrique (alternative ou continue) est distribuée jusqu'à un convertisseur statique de puissance (variateur) dont le rôle est de moduler l'énergie électrique fournie au moteur d'entraînement. • Celui-ci convertit cette énergie électrique en énergie mécanique, qu'il transmettra par l'intermédiaire de son arbre, via un adaptateur mécanique (réducteur par exemple), aux organes mécaniques entraînés (charge). • On parle de chaîne de transfert direct de l'énergie lorsque la charge est résistante : c'est le cas par exemple des engins de levage dans la phase de montée de la charge, où la pesanteur s'oppose au déplacement. • On parle de chaîne de transfert inverse de l'énergie lorsque la charge est entraînante : c'est le cas, par exemple, des engins de levage dans la phase de descente de la charge, où la pesanteur agit dans le sens du déplacement. Le moteur entraîné par la charge mécanique devient générateur et convertit l'énergie mécanique transmise en énergie électrique. Celle-ci est soit stockée dans des condensateurs, soit dissipée dans des résistances, soit restituée à la source d'énergie électrique (réseau …) par l'intermédiaire du variateur. Rapport de réduction : réd k    < 1 Réseau EDF Batterie Variateur consignes limites mesures Moteur Réducteur Cm Cr Arbre moteur réd Charge  Chaîne de transfert direct de l’énergie Chaîne de transfert inverse de l’énergie k Centre d’Intérêt 6 : CONVERTIR l'énergie Compétences : MODELISER, RESOUDRE CONVERSION ELECTROMECANIQUE - Machine à courant continu en régime dynamique – Procédés de pilotage en vitesse et en couple Associer les grandeurs physiques à la transmission de puissance – Identifier les pertes d'énergie dans un actionneur – Associer un modèle à l'actionneur – Proposer une méthode permettant la détermination des courants, tensions, puissances échangées – Déterminer les caractéristiques mécaniques et le point de fonctionnement de l'actionneur – Choisir un actionneur TP COURS 2 TD MCC ou MAS ou MS CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville - 2 - Sciences Industrielles pour l’Ingénieur 2/ Les différentes phases du mouvement d’une machine • La plupart des mouvements, contrôlés par des moteurs, suivent le cycle simple constitué par l'enchaînement de trois phases élémentaires : - une phase d'accélération lors du démarrage ; - une phase de régime établi ou permanent lorsque la vitesse est stabilisée ; - une phase de décélération lors du ralentissement pendant l'arrêt. 3/ Caractéristiques mécaniques des charges entraînées • Le couple résistant, noté Cr, est le couple s’opposant au mouvement d’entraînement de la machine. • La caractéristique mécanique Cr = f(), où  est la vitesse angulaire du moteur en rad/s, définit les besoins de la charge entraînée. Il existe essentiellement trois familles de caractéristiques : • On a représenté, en pointillés, les surcouples résistants opposés par bon nombre de mécanismes au début du démarrage (on dit au "décollage"). Ce surcouple peut, pour un même mécanisme, être très variable. Mal quantifié lors de l’étude du mouvement, il peut, s’il est important, empêcher le démarrage ou rendre la mise en vitesse très longue. 4/ Couple à fournir par le moteur • Ce qui conditionne le bon fonctionnement d’une chaîne d'énergie, c’est la capacité du moteur à fournir à tout instant l’effort nécessaire, pour permettre le mouvement désiré. Cet effort, imposé au niveau de l’arbre d’entraînement, est le couple moteur, noté Cm. Equation générale de la dynamique (PFD) • L’équation générale de la dynamique s’écrit : Rq importante : Cr intègre le couple résistant opposé par la charge entraînée ainsi que les couples de frottement divers. Détermination du moment d’inertie total J ramené sur l’arbre moteur • La conservation de l’énergie cinétique impose : W = W'  2 réd éq ch Ω J = J . Ω          2 éq ch J = J .k On en déduit l’expression du moment d’inertie total ramené sur l’arbre moteur : • Le moment d’inertie de la charge est donc ramené sur l’arbre du moteur, affecté d’un coefficient k². Comme k est inférieur à 1 dans le cas d’un réducteur, k² << 1.  (rad/s) t accélération régime établi décélération - ventilateurs, - pompes, …  Cr - bobineuses, - tours, … r K C = Ω  Cr - engins de levage, - convoyeurs, … ste r C = C Cr  2 r C = K.Ω Surcouple au "décollage" Energie cinétique de la charge : Moteur Cm Cr  Charge équivalente moment d’inertie Jéq Energie cinétique de la charge équivalente : Moteur Réducteur Cm Cr réd  k Charge moment d’inertie Jch Moment d’inertie Jm On compte positif le couple résistant Cr qui s'oppose au couple moteur, conformément aux courbes ci-dessus. CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville - 3 - Sciences Industrielles pour l’Ingénieur Régimes de fonctionnement • Le mouvement d’une charge, contrôlé par un moteur, est caractérisé par 2 régimes de fonctionnement : - le régime établi ou permanent ; - le régime transitoire : accélération et décélération. Accélération Lors des phases de montée en vitesse, on a : dΩ > 0 dt Compte tenu de l’équation générale de la dynamique, il faut que : Cm > Cr On appelle a dΩ C = J. dt le couple accélérateur, ou couple d'inertie, nécessaire pour vaincre l’inertie s’opposant à la variation positive de vitesse. Accélération Régime établi Le régime est établi lorsque la vitesse est constante : dΩ = 0 dt L’équation générale de la dynamique se réduit à : Cm = Cr Il y a équilibre dynamique, correspondant à l’égalité entre le couple moteur et le couple résistant. Régime établi Décélération Lors des phases de ralentissement, on a : dΩ < 0 dt On définit le couple de ralentissement par : ral dΩ C = -J. > 0 dt Trois cas peuvent se présenter :  : 1/ Décélération naturelle Le moteur n’est plus alimenté  Cm = 0 ral 1 r dΩ C = -J. = C dt  : 2/ Décélération lente Le moteur développe un couple mécanique "moteur" pour éviter un arrêt prématuré. ral 2 r m ral 1 dΩ C = -J. = C - C < C dt  : 3/ Décélération rapide Le moteur développe un couple mécanique "résistant", renforçant celui produit par la machine  Cm = - Cf (couple de freinage ; exemple : voir plus loin "Pilotage de la MCC" 2/) ral 3 r f ral 1 dΩ C = -J. = C + C > C dt Décélération naturelle Décélération lente Décélération rapide Fonctionnement stable du moteur • On détermine le point de fonctionnement M en régime établi du groupe moteur - charge entraînée en représentant sur un même diagramme les caractéristiques mécaniques du moteur Cm = f() et de la charge Cr = f() qu’il entraîne. En effet, en régime établi ( = Cste), on a : m r dΩ J. = C - C = 0 dt  m r C = C • D'une manière générale, le groupe est en régime stable lorsque toute modification de l'une des variables qui fixent son régime entraîne une action correctrice qui tend à rétablir le régime initial : supposons par exemple que, pour une cause extérieure, le groupe ralentisse. Il y a deux possibilités : Cm Cr  Cr  Cm Cr  Cf Cr      t Cm > 0 Cr > 0  > 0    > 0 < 0 > 0 CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville - 4 - Sciences Industrielles pour l’Ingénieur • Pour qu’il y ait stabilité, il faut qu’au voisinage de l’intersection, on ait : m r dC dC < dΩ dΩ 5 / Quadrants de fonctionnement • Généralement, un mécanisme a besoin de 2 mouvements de sens opposés, obtenus par inversion du sens de marche du moteur d’entraînement. De plus, il est souvent nécessaire d’obtenir un temps d’arrêt du mouvement plus court que celui obtenu naturellement, ce qui nécessite un couple de freinage. • Il existe donc, pour un moteur accouplé à une charge, plusieurs zones de fonctionnement ou quadrants de fonctionnement (cf. cours précédent). Les divers fonctionnements sont caractérisés par : - une uploads/Industriel/ mcc-dynamique.pdf