La fonction distribuer l énergie

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1 DOCUMENT SYNTHESE Centres d intérêt Savoirs A B C D Thèmes associés A1 B11 C11 D1 AF1 R1 E1 E8 E11 E13 E4 E5 I3 I1 I6 I12 A2 B12 C12 D2 AF2 R2 E2 E9 E12 E18 E7 E6 I4 I2 I7 B21 C21 AF3 R3 E3 E10 E15 E19 E16 I5 I11 I8 B22 C22 R4 E14 E17 I13 I9 B31 C23 R5 I10 B32 C24 R6 B41 R7 B42 R8 B51 R9 B52 La fonction distribuer l énergie 1- DIFFERENTS PREACTIONNEURS : Les préactionneurs permettent de distribuer l énergie aux actionneurs. Ils dépendent du type d énergie à distribuer et de l ordre issu de la fonction traiter. Ordre Energie brute Distribuer de l énergie (Moduler de l énergie) Même type d énergie Energie distribuée ou modulée 2- COMMUTATION ELECTROMECANQUE (CONTACTEUR / RELAIS) Nous l avons déjà dit précédemment, sa fonction c est établir ou interrompre un fort courant (énergie électrique) avec une faible énergie de commande (signal ordre). Sa représentation est la suivante : Bobine Pôles de puissance Contacts auxiliaires (ordre) commutation de l W de commande On y trouve les éléments suivants : Le fonctionnement est le suivant : Une tension (faible) sur la bobine de commande crée un champ magnétique dans le circuit magnétique du contacteur. La partie mobile est alors attirée par la partie fixe. Cela ferme les contacts de puissance et les contacts de commande. Lorsque la tension d alimentation disparaît, la partie mobile du CM retourne en position initiale grâce à un ressort de rappel. Différentes formes dans le commerce : Principaux critères de choix : Courant (pdc) et tension commutés Tension de commande CI8 Pilotage Bac S-Sciences de l Ingénieur - Tonnerre Page 1/8

2 3- COMMUTATION ELECTRONIQUE i. Transistor Le transistor peut être utilisé : - en amplification/linéaire (relation de proportionnalité entre l entrée et la sortie) ; - en commutation/tor (comportement comme un interrupteur en fonction de l entrée). Transistor bipolaire : Symbole : (B : Base C : Collecteur E : Emetteur) Commutation C B i B =0 C B i B >I bsat >0 Commutation E B i B <I bsat <0 E B i B =0 NPN Fonctionnement : Un courant i B B->E va entraîner la fermeture de la jonction C-E. => Transistor = interrupteur entre C et E commandé par un courant de base entrant dans celle-ci. E E PNP Fonctionnement : Un courant i B E->B va entraîner la fermeture de la jonction E-C =>Transistor = interrupteur entre E et C commandé par un courant de base sortant de celle-ci. C C Calcul de la résistance de base RB pour saturer le transistor NPN : On cherche la limite entre le fonctionnement en linéaire et le fonctionnement en sature (en gros quelle valeur de RB doit-on choisir pour que le transistor soit à la limite de saturation) Données : Le transistor alimente un composant symbolisé par la résistance RC (de valeur connue). Ce transistor est piloté par une tension VBB (de valeur connue aussi). On sait que : - lorsque le transistor commence à conduire, VBE vaut environ 0,7V = V BESAT (caractéristique dépendante du transistor) - lorsque le transistor fonctionne en linéaire, on a I C =ß.I B ❶ (ß=h fe : caractéristique dépendante du transistor) - lorsque le transistor entre en saturation V CE =V CESAT # 0V Dans la maille de sortie on a ❷ V CC =V CE +R C.i C Dans la maille d entrée on a ❸ V BB =R B.i B +V BE Saturé i C= i Cmax=cste Linéaire i C= β.i B i C i Cmax=(V CC-V CEsat)/R C Droite de charge (V CC-V CESAT)/R C i B i Bsat Droite d attaque (V BB-V BEsat)/R B V CE V BEsat V BE En mixant les équations ❶, ❷ et ❸ On peut donc écrire : RB=(VBB-VBESAT)*ß*RC/(VCC-VCESAT) CI8 Pilotage Bac S-Sciences de l Ingénieur - Tonnerre Page 2/8

3 Application numerique : un microcontroleur pilote le fonctionnement d un moteur a courant continu par le biais d un relais interfacé par un transistor (Donnees : Resistance de la bobine du relais : 120Ω, tension de bobine 12V (VCC), tension de sortie du microcontroleur 5V, transistor 2N2222 de ß compris entre 100 et 300, coefficient de sursaturation de 3). ICSAT=(VCC-VCESAT)/RC = (12-0,4)/120=97mA IBSAT=ICSAT/ß=97/100=970EA Pour etre sur de saturer on prend un coefficient de 3 sur IB RB=(VBB-VBESAT)/IBSAT2=(5-0,7)/(3*970E)=1478W Soit RB normalisée dans la série E12 (1500 ou 1200) on prend 1200 pour être sur de saturer Transistor MOS : Symbole Fonctionnement en sature : Fonctionnement en sature : 0>V GSTh >V GS 0>V GS >V GSTh G G G G 0<V GS <V GSTh 0<V GSTh <V GS MOS canal N (NMOS) Le transistor conduit lorsque VGS > V GSTh Le transistor est bloque lorsque VGS < V GSTh V GSTh > 0 : tension de seuil du transistor =>Transistor = interrupteur entre D et S commandé par une tension positive sur la grille. MOS canal P (PMOS) Le transistor conduit lorsque VGS < V GSTh Le transistor est bloque lorsque VGS > V GSTh V GSTh < 0 : tension de seuil du transistor =>Transistor = interrupteur entre S et D commandé par une tension négative sur la grille. Utilisation : Le transistor est très souvent utilisé en commutation dans des montages divers et variés : - Pour commander les moteurs à courant continu (hacheurs, 1, 2 ou 4 quadrants) - Pour faire varier la vitesse des moteurs asynchrones (variateurs de vitesse) - Différentes formes dans le commerce : Principaux critères de choix : Courant, tension commutés Tension, courant de commande CI8 Pilotage Bac S-Sciences de l Ingénieur - Tonnerre Page 3/8

4 ii. Hacheur (Transistor associé à d autres composants) Un hacheur est un convertisseur continu/continu, il permet d'obtenir à partir d'une tension continue fixe, une tension continue réglable. Il est composé (cf. schéma suivant) d'un interrupteur électronique unidirectionnel H (transistor ou thyristor) fermé pendant un intervalle de temps t on = αt, et ouvert pendant le reste de la période T. Une diode de roue libre D permet au courant de continuer de circuler lorsque l interrupteur se bloque si la charge est inductive (démagnétisation de l inductance L). Le rôle de l'inductance L (dite inductance de lissage) est de réduire l'ondulation du courant i C (courant quasi continu). Schéma d'un hacheur série: Moteur à courant continu On appelle rapport cyclique α: le rapport du temps de fermeture de l'interrupteur H sur la période T de hachage. α = Ton / T Pour que cela fonctionne correctement, il faut que la période électrique T soit faible devant la constante de temps mécanique du moteur. Valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge (R,L,E = moteur à courant continu associé à une inductance) Pilotage H Etat de H Fermé Ouvert Fermé Etat de D <Uc(t)> Bloquée Passante Bloquée 0 α T T t(ms) Chronogramme de u c (t) La valeur moyenne notée U c (ou u c ou <u c (t)>), est par définition : le rapport de l'aire sous la courbe de u c (t) sur la période T => U c = A T / T L'aire sous la courbe sur la période T est un rectangle de largeur égale : V et de longueur αt donc A T = αtxv Ce qui donne <u c (t)> = αtxv/t = α.v <u c (t)>=u c = α.v CI8 Pilotage Bac S-Sciences de l Ingénieur - Tonnerre Page 4/8

5 Chronogramme des courants et tensions En appliquant la loi des noeuds on a : i c (t)=i H (t)+i D (t)(la loi est vérifiée quelque soit t) - Pour 0<t<αT : l'interrupteur H est fermé ; la tension u c (t)= V (la diode D est bloquée) i D (t)= 0 ==>i H (t) =i C (t). i c (t) a tendance à augmenter car la charge est alimentée par la source V - Pour αt<t<t : l'interrupteur H est ouvert ; la tension u c (t) = 0 (la diode D est passante) i H (t)= 0 ==>i D (t) =i C (t). i c (t) a tendance à diminuer car la charge est en court-circuit par la diode D (DRL). Utilisation pour les moteurs : Les outils mathématiques peuvent montrer que <u l > = 0 On peut donc montrer que <u c > = <u l +R.i c +E> = <u l >+R.<i c >+E Souvent, on peut négliger l effet de R => αv = <u c > = E Or E est proportionnelle a la vitesse du moteur E = k.ω On réalise ainsi une variation de la vitesse du moteur en du rapport cyclique αv = kω CI8 Pilotage Bac S-Sciences de l Ingénieur - Tonnerre Page 5/8

6 Hacheur quatre quadrants C'est un hacheur réversible en tension et en courant. Il est basé sur une structure en pont en H portant les interrupteurs K1( D1, H1), K2( D1, H1), K3( D1, H1) et K4( D1, H1) (cf. schéma suivant) Le courant dans la charge peut circuler dans les deux sens grâce aux diodes. Le transfert de puissance peut donc se faire dans les deux sens (la charge reçoit et fournie de l'énergie). Cela permet, lorsqu'on alimente un moteur à courant continu, de le faire tourner dans les deux sens et également de le faire fonctionner en génératrice et, par exemple, de récupérer de l'énergie électrique pendant les phases de freinage. Bras de pont Le générateur U a doit être réversible en courant et la charge doit être réversible en courant et en tension. Pour un fonctionnement dans un quadrant donné - Pour 0<t<αT: H1 et H4 sont commandés à l'état fermé; H2 et H3 sont commandés à l'état ouvert: K1 et K4 sont fermés on a donc U a - u c (t) = 0 ( la loi des mailles) donc u c (t) = U a - Pour αt<t<t : H2 et H3 sont commandés à l'état fermé; H1 et H4 sont commandés à l'état ouvert: K2 et K3 sont fermés on a donc U a + u c (t) = 0 ( la loi des mailles) donc u c (t) = - U a CI8 Pilotage Bac S-Sciences de l Ingénieur - Tonnerre Page 6/8

7 iii. Variateur de vitesse d un moteur asynchrone (Transistor associé à d autres composants) Un variateur de vitesse (fréquence) est un convertisseur alternatif/alternatif. Il doit faire varier la fréquence des signaux d alimentation du moteur pour faire varier la vitesse. Afin que le couple fourni par le moteur soit constant quelque soit la vitesse, le variateur fait également varier la tension efficace d alimentation du moteur dans le rapport U/f constant. Schéma fonctionnel d'un variateur de vitesse Schéma simplifié d'un variateur (partie puissance) Bras de pont Modulation de largeur d'impulsion MLI Elle permet d'utiliser une commande en tout ou rien pour réaliser un courant quasi-sinusoïdal. On ouvre puis ferme les interrupteurs i 1, i 2, suivant une séquence donnée afin d obtenir un signal de tension v 1 (t) ressemblant au signal suivant. La durée d ouverture et de fermeture des interrupteurs varie (modulation). C est pour cela qu on dit qu on fait une Modulation de Largeur d Impulsion (MLI). L ouverture et la fermeture provoquent une montée ou une descente lente du courant dans l inductance. Comme le temps d ouverture et de fermeture est très faible, devant la période du signal, on a l impression que le courant n évolue pas ou peu. => quasi sinusoïdal CI8 Pilotage Bac S-Sciences de l Ingénieur - Tonnerre Page 7/8

8 4- COMMUTATION PNEUMATIQUE (DISTRIBUTEUR) Fonctionnement Une commande par l orifice 12 pousse le tiroir du distributeur vers la gauche. Ceci a pour effet de mettre en relation les orifices de puissance 5 et 4 2 et 1. L orifice 3 est bouché. Une commande par l orifice 14 pousse le tiroir du distributeur vers la droite. Ceci a pour effet de mettre en relation les orifices de puissance 1 et 4 2 et 3. L orifice 5 est bouché. Le premier chiffre signifie le nombre d orifices de puissance que le distributeur a. Le second indique le nombre de positions que peut prendre le tiroir du distributeur. Représentation d un distributeur Ils peuvent être commandés de différentes façons : - Monostable ou bistables - A commande : Pneumatique, Electrique, Electropneumatique, Mécanique, Représentation des commandes (sur le coté du symbole) Principaux critères de choix : Nombre d orifices et dimensions (énergie distribuée) Type de commande CI8 Pilotage Bac S-Sciences de l Ingénieur - Tonnerre Page 8/8