SCIENCES DE L'INGÉNIEUR TP N 1 PAGE 1 / 8 GÉNIE ÉLECTRIQUE TERMINALE Durée : 2h PILOTE AUTOMATIQUE : ANALYSE DU FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR À COURANT CONTINU (MCC) Centres d'intérêt abordés : Thématiques : CI3 Motorisation, conversion d'énergie E1 Structure et fonctionnement d'un moteur à courant continu à vitesse variable Activités proposées : Compétences attendues : 1 Relever les caractéristiques électriques du moteur à vide 2 Analyser l'influence de la charge sur le fonctionnement du moteur Identifier les paramètres de commande liés à la variation de vitesse Déterminer les grandeurs énergétiques des éléments de la chaîne d'énergie 3 Vérifier les résultats Vérifier les performances au regard des spécifications du cahier des charges Ressources matérielles : Ressources documentaires : Système Pilote automatique didactisé Générateur de tension continue variable Dossier technique : pilote automatique TP N 2 sur le pilote automatique PRÉSENTATION DU SYSTÈME PILOTE AUTOMATIQUE 1 FONCTION Un bateau est dirigé à l'aide d'un gouvernail constitué : - Du safran au contact avec l'eau. - De la mèche qui est l'axe du gouvernail. - D'une barre à roue utilisée comme un volant ou d'une barre franche manoeuvrée en poussant ou en tirant.
SCIENCES DE L'INGÉNIEUR TP N 1 page 2 / 8 Pour aller d'un point à un autre, le barreur doit suivre, sur le compas de route, le cap qu'il aura déterminé (à l'aide d'un rapporteur sur une carte marine). Un bateau et en particulier un voilier est difficile à diriger en ligne droite car des perturbations (courants, vagues, variations de la force du vent) le font dévier de sa route. Dans ces conditions, un barreur ne pourra maintenir le cap que pendant un temps relativement court (1 à 2 heures), d'où l'intérêt pour de longues distances, d'utiliser un pilote automatique relié à la barre. Le pilote automatique TP30 est un ensemble compact qui comprend : - Un capteur compas "fluxgate". - Un vérin électrique à vis qui manoeuvre la barre franche. - Une carte électronique qui réalise la commmande du moteur à courant continu du vérin. 2 DESSIN D'ENSEMBLE DU PILOTE TP30 Le dessin d'ensemble du pilote automatique est donné à la page suivante. 3 NOMENCLATURE DU DESSIN D'ENSEMBLE
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SCIENCES DE L'INGÉNIEUR TP N 1 page 4 / 8 ANALYSE THÉORIQUE (À FAIRE AVANT LE TP) 3.1 DÉTERMINATION DE LA RELATION LIANT LA VITESSE (N) DE ROTATION DU MOTEUR À LA VITESSE (V) DE SORTIE DE TIGE DU VÉRIN Sur le dessin d'ensemble, identifier le repère du moteur à courant continu : Donner la désignation et le repère des éléments qui assurent la transmission et la transformation du mouvement de rotation du moteur en mouvement de translation de la tige du vérin : DÉSIGNATION REPÈRE La poulie motrice est dotée de Zm = 21 dents. La poulie réceptrice est dotée de Zr = 71 dents. Calculer le rapport de réduction r : Relever le pas de la vis p : Etablir l'expression littérale de la vitesse de rotation Nm (en tr/min) du moteur en fonction de V (vitesse de sortie de la tige du vérin), de r et de p : Effectuer l'application numérique (vérifier que la relation précédente peut être mise sous la forme Nm = 67619. V) :
SCIENCES DE L'INGÉNIEUR TP N 1 page 5 / 8 ANALYSE EXPÉRIMENTALE 3.2 RELEVÉ DES CARACTÉRISTIQUES ÉLECTRIQUES DU MOTEUR À VIDE Compléter le schéma structurel du montage pour alimenter le moteur à courant continu M par le générateur de tension continue variable (Ev). Placer le voltmètre et l'ampèremètre pour relever Um (la tension aux bornes du moteur) et Im (le courant qui traverse le moteur) : Im Ev Um M Câbler la maquette du pilote automatique avec les appareils de mesures (alimentation éteinte). FAIRE VÉRIFIER PAR LE PROFESSEUR. Compléter le tableau ci-dessous pour les valeurs de Um données : - Mesurer Im (le courant qui traverse le moteur). - Chronométrer le temps de sortie de la tige du vérin (pour une course de 20 cm). - En déduire V (la vitesse de sortie de tige du vérin). A l'aide de la formule établie dans l'analyse théorique, calculer N la vitesse de rotation du moteur. Um (V) Tension moteur Im (A) Courant moteur Durée de sortie du vérin (s) Vt (m/s) vitesse de sortie Nm (tr/min) vitesse de rotation 0 1 2 4 6 8 10 12
SCIENCES DE L'INGÉNIEUR TP N 1 page 6 / 8 Tracer la caractéristique Nm = f(um), vitesse de rotation du moteur en fonction de la tension : N (tr/min) Commenter l'allure de la caractéristique : Um (V) En utilisant la notice technique du moteur (dossier technique : page 9), proposer une méthode qui permet de vérifier la validité de la mesure de la vitesse de rotation à vide : Que peut-on dire de la variation du courant Im en fonction de la tension Um? 3.3 INFLUENCE DE LA CHARGE SUR LE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR Cette étude porte sur l'influence de la charge du moteur pour une tension d'alimentation fixée à 7 V. Les mesures seront réalisées en traction (rentrée de tige). La charge est constituée d'un plateau d'un poids de 3 Kg et des poids marqués 2 Kg, 5 Kg et 10 Kg. 3.1- Compléter le tableau (donné page suivante) pour les différents poids de charge donnés : - Mesurer Im (le courant qui traverse le moteur). - Chronométrer le temps de rentrée de la tige du vérin (pour la course de 10 cm délimitée). - En déduire Vt la vitesse de translation du vérin. - Calculer N la vitesse de rotation du moteur.
SCIENCES DE L'INGÉNIEUR TP N 1 page 7 / 8 Charge (Kg) Im (A) Courant moteur Durée de rentrée du vérin (s) Vt (m/s) vitesse de rentrée N (tr/min) vitesse de rotation 0 5 10 15 20 25 30 Tracer la caractéristique N = f(charge), vitesse de rotation du moteur en fonction de la charge : N (tr/min) Commenter l'allure de la caractéristique : Charge (Kg) Tracer la caractéristique Im = f(charge), courant dans le moteur en fonction de la charge : Im (A) Commenter l'allure de la caractéristique : Charge (Kg)
SCIENCES DE L'INGÉNIEUR TP N 1 page 8 / 8 3.4 VÉRIFICATION DES RÉSULTATS En utilisant les équations générales du moteur données dans le TP N 2, calculer la vitesse de rotation théorique du moteur avec une charge de 30 Kg : - Rappeler la valeur du courant Im mesuré avec 30 Kg : - Sur la notice technique du moteur, relever la valeur de la résistance du moteur : - Calculer la fem E : - Calculer la vitesse angulaire Ω (en rd/s) et la vitesse de rotation du moteur N (en tr/min) : Comparer la valeur de N calculée à celle mesurée : 3.5 SYNTHÈSE Quels sont les deux paramètres qui interviennent sur la vitesse de rotation du moteur? Quelle relation permet d'expliquer l'évolution du courant en fonction de la charge (justifier la réponse) :