LES SCIENCES DE L INGENIEUR

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1 LES SCIENCES DE L INGENIEUR Support : Pilote Automatique PLASTIMO AT50 Thème : Analyse du mode de fonctionnement de l actionneur. Première Terminale OBJECTIF DE LA SEANCE : Identifier le flux de transmission des efforts. Inventorier les constituants de la chaîne d énergie. Identifier l intérêt de la réversibilité ou de l irréversibilité du mouvement. Mettre en œuvre le système en situation notamment lorsque la charge est entraînante. Réaliser un bilan énergétique en vue de déterminer le rendement des constituants de la chaîne énergétique. Pré requis MISE EN SITUATION Cours : le moteur à courant continu constitution. Cours : le moteur à courant continu équations électriques et mécaniques Cours : le moteur à courant continu fonctionnement dans les quatre cadrans. Analyse fonctionnelle CENTRES D INTÉRÊTS Analyser le besoin Analyser le produit Alimenter Distribuer Durée L énergie Convertir 3 heures Transmettre, Adapter Condition de réalisation Protéger Poste de mesures Poste de simulation Acquérir Poste partie opérative L information Traiter Poste de recherche Communiquer Matériel et/ou documentation(s) spécifique(s) Dossier technique du Pilote Automatique AT50. Représenter Un produit pluritechnique Schématiser Projet Pluritechnique Encadré

2 I Préparation. 1.1 Présentation Le moteur à courant continu est un élément de conversion d énergie électromagnétique. U I M Tm ω Avec : - Tm : Couple mécanique (N.m) - ω : vitesse angulaire (rd.s -1 ) - U : différence de potentiel aux bornes du moteur (V) - I : courant du moteur (A) Donnez l expression de la puissance électrique absorbée par le moteur (notée Pa) Donnez l expression de la puissance mécanique (ou puissance utile) fournie par le moteur (notée Pm) 1.2 Convention sur les signes de couples ramenés à l axe du moteur. Par convention, On définira le sens positif des couples par rapport au sens de la vitesse angulaire. U Fonctionnement moteur La machine entraîne la charge. I Machine à courant continu Fonctionnement MOTEUR ω T m Charges T m couple mécanique du moteur. Pertes On note par T charge/m et T p/m, respectivement le couple qu applique la charge sur l axe de la machine et le couple de pertes de l ensemble du système, l ensemble étant ramené sur l axe du moteur. Dessinez ces deux couples et déterminez leur sens (en tenant compte de la convention)

3 Utilisez l équation générale de la mécanique en régime permanent pour exprimer T m en fonction de T charge/m et de T p/m. U Fonctionnement en génératrice La charge est entraînante. I Machine à courant continu Fonctionnement GÉNÉRATRICE ω T charge/m Charges Pertes Dessinez le couple mécanique fourni par le moteur T m et le couple de pertes T p/m. Utilisez l équation générale de la mécanique en régime permanent pour exprimer T m en fonction de T charge/m et de T p/m. Par rapport à l équation établie au paragraphe précèdent, qu en déduisez-vous? 1.3 Analyse fonctionnelle de la chaîne d énergie. Chaîne cinématique du Pilote Automatique U Système Poulies Courroies. Rapport de multiplication : r =???? I Moteur à courant continu T m ω T V Système Vis à bille. Pas : p =????mm F V V V ω V Gouvernail Barre

4 Remarque : on note η pcv le rendement du système Poulies Courroies Vis à bille Guidage et η m le rendement du moteur. A partir du dossier technique, identifiez le système "Poulies Courroies" et déterminez le rapport de multiplication ainsi que le pas du système "Vis à bille" A partir du schéma cinématique du Pilote Automatique, complétez l analyse fonctionnelle en utilisant la liste d éléments proposés. 1.4 Loi de fonctionnement de couple d une machine à courant continu. A partir de la chaîne cinématique du Pilote Automatique Déduisez la relation qui existe entre la vitesse angulaire du moteur ω et la vitesse de translation du vérin V v. Déduisez le couple de la charge ramené sur l axe du moteur notée T Fv/m en fonction de l effort F v fourni par le vérin. Donnez l équation du couple moteur T m sachant que le vérin possède un couple de perte T p/m ramené sur l axe du moteur. II Manipulation. L étude envisagée consiste à placer un ensemble de charges en sortie du Pilote Automatique et à réaliser une série de mesures électriques, tension moteur et courant moteur, selon deux scénarios : Lors de la montée de la charge, Lors de la descente de la charge. Marche - Arrêt +12 V Monter Pilote Automatique U 0 V Interface de Puissance Descendre M ω Tm Charge

5 Déterminez la nature de la charge vis-à-vis du pilote automatique dans les deux cas suivants : En montée, En descente. Quels que soient les résultats précédents, On prendra : ω = x V v (en tr.s -1 ) T Fv/m = 7,64 x 10-5 x F v (en N.m) T m =7,64 x 10-5 x F v + T p/m (en N.m) 2.1 Détermination du couple de perte ramené au moteur. On suppose que le couple de perte est constant et identique à la montée et à la descente. Pour des raisons de facilité, seule l étude en descente sera menée. Evaluez, en précisant votre façon de faire, la réversibilité de la chaîne cinématique. Déterminer la masse nécessaire pour vaincre les frottements. On se placera si possible dans la situation limite de mouvement tout en entraînant légèrement le vérin au début de l essai pour s affranchir du couple de frottement sec. En déduire le couple de frottement ramené à l axe du moteur. 2.2 Etude en montée. Quel que soit le résultat précédent, on prendra : T p/m = 0,0 Nm Placez le pilote automatique en position verticale et identifiez à l aide de la balance mise à votre disposition les différentes charges (0, 4,2 Kg,, 10 Kg, ) que vous utiliserez. Préparez l alimentation de laboratoire : Tension d alimentation +12V. Pas de limitation en courant. Préparez l appareil de mesure du courant I Afin de rendre l alimentation réversible (possibilité de fournir ou de consommer de l énergie), placez en sortie de l alimentation et en parallèle une résistance de 100 Ω. Mesurez le courant de commande correspondant à la consommation du Pilote automatique sans mouvement de la tige.

6 Renseignez simultanément le document réponse et le tableau préparé dans un tableur (dossier "Pilote" dans "Mes Documents"). Remarque : les formules permettant le calcul de F v, T Fv/m et T m ont été préparées, seules les informations "Charge" et "I moteur " sont à renseigner. Tracez, dans le tableur et sur un même graphe, l évolution du couple T Fv/m dû à l effort F v, le couple moteur T m et le couple de perte T p en fonction du courant moteur I correspondant au fonctionnement en montée. Identifiez sur le graphe le mode de fonctionnement de l actionneur du Pilote automatique. Ajoutez une courbe de tendance (régression linéaire) afin d établir la relation T m = f(i) (demandez l affichage de l équation!). En déduire le coefficient K c du moteur. En montée, calculez le courant moteur pour une charge de 65 Kg. Quel est le couple moteur nécessaire (couple de démarrage minimum) pour vaincre les efforts dus à l ensemble "Poulies Courroies Vis à bille"? 2.3 Etude en descente. T p/m = 0,0 Nm Renseignez simultanément le document réponse et le tableau préparé dans le tableur. Tracez, dans le tableur et sur un même graphe, l évolution du couple C Fv/m dû à l effort F v, le couple moteur T m et le couple de perte T p en fonction du courant moteur I correspondant au fonctionnement en descente. Ajoutez une courbe de tendance (régression linéaire) et confirmez la relation T m = f(i) trouvée dans le paragraphe précédent. Identifiez, sur le graphe donné dans le document réponse, le mode de fonctionnement de l actionneur du Pilote automatique. Déterminez la valeur de F v en Kg pour laquelle le mode de fonctionnement change.

7 III Bilan énergétique. Etude du rendement de la chaîne de conversion énergétique Pour une charge de 10 kg, indiquez une procédure pour mesurer la vitesse de montée de la charge. Réalisez cette mesure. En montée, donnez l expression des rendements : Du moteur, Du système "Poulies Courroies Vis à bille", De la chaîne de conversion énergétique. A partir des résultats précédents, calculez ces trois rendements.

8 Document réponse n Présentation. - Expression de la puissance électrique absorbée par le moteur (notée Pa) Pa =.. - Expression de la puissance mécanique fournie par le moteur (notée Pm) Pm = Convention sur les signes de couples ramenés à l axe du moteur Fonctionnement moteur. - Dessiner les couples manquants et déterminer le sens (en tenant compte de la convention) I U Machine à courant continu Fonctionnement MOTEUR ω Tm Charges Pertes T m est le couple appliqué par l actionneur Sens positif Sens négatif T charge est le couple appliqué par la charge et ramené sur l arbre moteur Sens positif Sens négatif T p est le couple de pertes ramené sur l arbre du moteur Sens positif Sens négatif - Utilisation de l équation générale de la mécanique et expression de T m en fonction de T charge/m et T p/m T m =

9 1.2.2 Fonctionnement générateur. - Dessiner les couples manquants et déterminer le sens (en tenant compte de la convention) I U Machine à courant continu Fonctionnement GÉNÉRATRICE ω T charge/m Charges Pertes T m est le couple appliqué par l actionneur Sens positif Sens négatif T charge est le couple appliqué par la charge et ramené sur l arbre moteur Sens positif Sens négatif T p est le couple de pertes ramené sur l arbre du moteur Sens positif Sens négatif - Utilisation de l équation générale de la mécanique et expression de T m en fonction de T charge/m et T p/m T m = 1.3 Analyse fonctionnelle de la chaîne d énergie. -Identification du système "Poulies Courroies" - Détermination du rapport de réduction Du système "Poulies Courroies" Du système "Vis à bille"

10 - Compléter l analyse fonctionnelle Energie Electrique Modulée A1. A22. A3. A4 Energie mécanique adaptée Moteur Convertir l énergie Bateau suivant le cap final Poulies courroies Orienter Pertes Barre + Gouvernail Vis à bille Energie mécanique transformée Energie mécanique Bateau suivant le cap initial Transformer l énergie mécanique 1.4 Loi de fonctionnement de couple d une machine à courant continu. - Déduire la relation entre la vitesse du moteur ω et la vitesse de translation du vérin V v. - Déduire le couple de la charge ramenée sur l axe du moteur notée T Fv/m. - Equation de T m.

11 Document réponse n 2 - Nature de la charge En montée : En descente : 2.1 Détermination du couple de perte ramené au moteur. - Comment évaluer la réversibilité de la chaîne cinématique : - Détermination de la masse nécessaire - Couple de frottement ramené à l axe moteur : 2.2 Etude en montée. - Identification des charges utilisées. Description : Description : Description : Description : Masse : Masse : Masse : Masse : - Mesure du courant de commande I commande =.

12 - Acquisition des mesures En montée Courant de Commande Courant relevé lors de l'essai Poids de la charge Force exercée sur le Pilote Courant consommé par le moteur Couple de la charge ramenée au moteur Couple de pertes ramené au moteur Couple moteur Icommande Imesure Fv I Tfv/m Tp/m Tm ma ma Kg N ma Nmm Nmm Nmm 0 - Coefficient K c du moteur K c =. - Calculer le courant moteur pour une charge de 65 Kg - Couple moteur nécessaire pour vaincre les efforts

13 2.3 Etude en descente. - Acquisition des mesures En descente Courant de Commande Courant relevé lors de l'essai Poids de la charge Force exercée sur le Pilote Courant consommé par le moteur Couple de la charge ramenée au moteur Couple de pertes ramené au moteur Couple moteur Icommande Imesure Fv I Tfv/m Tp/m Tm ma ma Kg N ma Nmm Nmm Nmm 0 - Identification du mode de fonctionnement de l actionneur Evolution des couples en descente en fonction du courant moteur 15,00 10,00 5,00 0,00-5,00-10,00-15,00 Couples (Nmm) Tfv/m Tp/m Tm -20,00-25, Courant moteur (ma) - Détermination de la valeur de F v

14 Document réponse n 3 - Description de la procédure pour mesurer la vitesse de montée Vitesse : - Expression et calculs des rendements Du moteur Du système "Poulies Courroies Vis à bille" De la chaîne de conversion énergétique

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