T.P. N 25 : Le système de levage DÉROULMNT D LA SÉANC TITR ACTIVITÉS PROF ACTIVITÉS ÉLÈVS MOYN DURÉ Fin du T.P. {3,5 heures} Page 1 sur 14
Tableau de comité de lecture Date de lecture Lecteurs Observation Remarques rédacteur Date modifications 9 décembre 2001 CROCHT David Première Version + Améliorations mineures 9 décembre 2001 Quote of my life : Fournir ma contribution aux autres est ma philosophie. t la vôtre? Si vous avez lu ce T.P. et que vous avez des remarques à faire, n'hésiter pas et écrivezmoi à l'adresse suivante : Ce dossier contient : Mail : Crochet.david@free.fr Un dossier élève (pages 4 à ) Un dossier prof (pages à ) Un dossier ressource (page à ) Un transparent (page ) Adresse Professionnel : CROCHT David Professeur de Génie Lycée Joliot CURI Place du Pigeon Blanc 02500 HIRSON (Adresse valable jusq'au 30 juin 2002 Page 2 sur 14
T.P. N 25 Le système de levage Niveau : T STI GT Lieu : Atelier d'électrotechnique Durée : 3,5 heures Organisation : groupe ½ classe, travail binôme LIAISON AU RÉFÉRNTIL B 2 CHAPITR 2 : Système terminal de conversion de l'énergie PRÉRQUIS Les élèves doivent être capables : OBJCTIFS Les élèves devront être capables de : Apprendre à (savoir intégré) Apprendre à (savoir actif) NIVAU D'APPRNTISSAG Active formative MÉTHOD Page 3 sur 14
S.T.I. G..T. B 2 ÉLCTROTCHNIQU SYSTÈM D LVAG DOSSIR PÉDAGOGIQU TP N 25 Le système de levage Objectif : Matériel : Documents : Secteur : Atelier d'électrotechnique Durée : 3,5 heures Nom, Prénom : Classe, Groupe : Page 4 sur 14
Le système de levage 1. Approche fonctionnelle 1.1. Indiquer la fonction d'usage du système 1.2. A partir de l'actigramme A0, indiquer le repère du module fonctionnel ayant comme support d'activité l'ensemble " modulateur + convertisseur d'énergie" 1.3. Quels est la fonction réalisée par cet ensemble? 1.4. Reproduire ce module fonctionnel en précisant les données d'entrée, de sortie, de contraintes. 1.5. n déduire la nature de la conversion d'énergie 1.6. Citer les différentes fonction composants le module A3, préciser pour chacun d'eux les supports d'activités associés 2. Sens de circulation de l'énergie 2.1. Quel est le support d'activité de l'actigramme A4? 2.2. Indiquer la contrainte de l'actigramme A4. 2.3. Pour la montée de la charge 2.3.1. La charge estil entraînante ou résistante? Fautil lui fournir de l'énergie ou en fournitelle? 2.3.2. Indiquer sur le document réponse 1, le parcours de l'énergie en vert en fléchant le sens de circulation de l'énergie 2.3.3. Étude selon le point de vue du motoréducteur. 2.3.3.1. Identifier la fonction pour laquelle le motoréducteur est utilisé comme support d'activité. 2.3.3.2. Quelle autre appellation peuton donner à un motoréducteur? Convertisseur d'énergie Modulateur d'énergie Accumulateur d'énergie 2.3.3.3. Pour que le motoréducteur fournisse de l'énergie mécanique, il faut : Lui fournir de l'énergie mécanique Lui fournir de l'énergie Lui fournir de l'énergie calorifique Page 5 sur 14
2.3.4. Étude selon le point de vue du variateur 2.3.4.1. Identifier la fonction pour laquelle le variateur est utilisé comme support d'activité 2.3.4.2. Quelle autre appellation peuton donner à un variateur Convertisseur d'énergie Modulateur d'énergie Accumulateur d'énergie 2.4. Pour la descente de la charge 2.4.1. La charge estil entraînante ou résistante ou sans effet? Fautil lui fournir de l'énergie ou en fournitelle? 2.4.2. Indiquer vers quel élément physique cette énergie estelle dirigée 2.4.3. Indiquer sur le document réponse 2, le parcours de l'énergie en rouge en fléchant le sens de circulation de l'énergie 2.4.4. D'après les réponses précédentes, comment se comporte le moto réducteur? n moteur n génératrice 2.4.5. Dans notre cas, le motoréducteur fournit ou reçoit de l'énergie? 2.4.6. La circulation d'énergie dans un variateur peut s'effectuer dans les deux sens : on dit qu'il est réversible ou bidirectionnel. De l'énergie peut donc être récupérée de la charge et renvoyé au réseau. Comment est désigné cette énergie sur l'actigramme A3. 2.5. Chaîne directe et chaîne inverse Définition d'une chaîne directe et chaîne indirecte : La chaîne directe achemine l'énergie depuis sa source jusqu'aux effecteurs du procédé au travers de soussystèmes de puissance. La chaîne inverse achemine l'énergie récupérée depuis le procédé effecteur jusqu'à la source d'énergie. Remarque : Un effecteur est un organe constituant le terme d'un circuit et qui entre en activité en réponse à un stimulus donné. 2.5.1. D'après la définition cidessus, dites dans les deux cas laquelle est la chaîne directe et la chaîne inverse. Page 6 sur 14
2.5.2. Compléter le document réponse 3 en indiquant la nature de l'énergie ( ou mécanique) aux différents endroits de la chaîne et le sens de circulation de celleci selon la montée et la descente de la charge. 2.6. Analyse de la réversibilité 2.6.1. Au niveau de la chaîne cinématique de l'équipement de levage, que doit permettre l'ensemble treuil câble : La montée de la charge La descente de la charge Les deux 2.6.2. Au niveau du convertisseur d'énergie, comment doitil fonctionner : n générateur n moteur Les deux 2.6.3. Le modulateur doit permettre : La circulation de l'énergie dans le sens direct La circulation de l'énergie dans le sens indirect Les deux 2.6.4. Le réseau doit pouvoir : Fournir de l'énergie Recevoir de l'énergie Les deux 3. Quadrant de fonctionnement Rappel des équations de la machine à courant continu : p = a NnΦ p N ΦI a 2π : f.c.e.m. [V] Φ : flux inducteur sous un pôle [Wb] n : vitesse de rotation [tr.s 1 ] N : nombre de conducteurs actifs de l'induit a : nombre de pais de voies d'enroulement de l'induit p : nombre de paire de pôles de l'inducteur C = I : Courant absorbé dans l'induit [A] U = + RI U : Tension aux bornes de l'induit R : résistance interne de l'induit Remarque : La machine fonctionne en excitation indépendante. On considère RI << U donc = U [V] [Ω] Page 7 sur 14
3.1. Démonter que n = K u. U, donner l'expression de K u. 3.2. Démontrer que C = K i. I, donner l'expression de K i. 3.3. Les quadrants de fonctionnement de la machine à courant continu sont définis comme cidessous : n Q 2 Q 1 C Q 3 Q 4 3.4. Indiquer la grandeur du moteur à courant continu que nous allons mesurer pour connaître : L'image de la vitesse n L'image du couple C 4. Bilan des puissances Deux afficheurs sur le coffret de sécurité permettent de connaître : La force F t appliquée à la charge (en dan) La fréquence de rotation n m du moteur (en min 1 ) La puissance utilise à la charge est P u = F t.v i F t : Force appliquée à la charge [N] P u : Puissance utile [W] V i : Vitesse linéaire de la charge [m.s 1 ] 4.1. xprimer V i en fonction de Ω t (vitesse de rotation du tambour) 4.2. xprimer Ω t en fonction de Ω m (vitesse de rotation du monteur) 4.3. xprimer Ω m en fonction de n m. 1.4. n déduire l'expression littérale de P u en fonction de F t et de n m. 4.5. Application numérique: 4.5.1. Calculer Pu en sachant que : m = 250 kg g = 9,81 m.s 2 n m = 1000 min 1 Page 8 sur 14
1.1.2. Calculer la puissance absorbée au réseau (P a ) en supposant le rendement de l'ensemble de conversion d'énergie égal à η = 60%. 5. Partie pratique 5.1. Les quadrants de fonctionnement On se propose d'identifier les quadrants de fonctionnement de la machine à courant continu en mesurant U et I. Pour cela 4 bornes sont placées sur la porte du coffret variateur : + U m1 I m1 I m2 Réseau M Variateur U m2 Moteur 5.1.1. Mesurer le courant I et la tension U (potentiomètre sur position 5) : Lors de la montée de la charge Lors de la descente de la charge 5.1.2. Compléter le document réponse 4 en indiquant le sens de U, I et 5.1.3. Indiquer le numéro du quadrant à la montée et à la descente de la charge 5.1.4. Compléter le document réponse 5 en indiquant l'élément (moteur et variateur) qui fonctionne en générateur et celui qui fonctionne en récepteur lors de la montée et de la descente. 5.2. Courant en ligne Le système est alimenté par un réseau 3 x 400 V AC + N + P repéré R S T N. 5.2.1. Lors de la montée de la charge (consigne vitesse maxi), mesurer à l'aide de la pince multifonction, les courants dans chaque phase ainsi que celui du neutre (I R, I S, I T, I N ). 5.2.2. Le coffret variateur étant alimenté en monophasé, indiquer, d'après vos mesures précédentes, le nom des conducteurs véhiculant l'énergie. 5.3. Bilan des puissances Afin de déterminer le rendement global du système, vous allez déterminer la puissance absorbée par le système à l'aide de la pince ampèremétrique et la puissance utile à l'aide des afficheurs du coffret sécurité. Page 9 sur 14
Remarques : L'énergie consommée par le coffret sécurité étant négligeable devant celle absorbé par le coffret variateur, nous allons donc considérer que l'énergie absorbée par le système est véhiculer par les 2 conducteurs identifiés précédemment. On donne : P u : Puissance utile [W] K = 1,4.10 3 [W.min.daN 1 ] P u = K. F t. n m F t : Force de traction sur la charge [dan] N m : vitesse de rotation du moteur [min 1 ] 5.3.1. Remplir le tableau document réponse 6 Page 10 sur 14
DOCUMNT RÉPONS 1 distribuée Autorisation de fonctionnement A1 Isoler Protéger l'installation A31 quipement de coupure et de protection mesurable à restituer récupérée A3 Gérer et convertir l'énergie A2 C R Moduler l'énergie A32 Variateur (partie modulation) Puissance Sens des mouvements Réglage des vitesses Ordre de fonctionnement mesurable modulée Signe Fréquence Convertir Adapter l'énergie A33 Motoréducteur Charge en position initiale Z0 mécanique récupérée Actigramme A3 restituée Pertes dans les composants de puissance Pertes énergétiques mécanique mesurée mécanique fournie au treuil Changer la position de la charge A4 Charge en position finale Z1 quipement de levage Page 11 sur 14
DOCUMNT RÉPONS 2 distribuée Autorisation de fonctionnement A1 Isoler Protéger l'installation A31 quipement de coupure et de protection mesurable à restituer récupérée A3 Gérer et convertir l'énergie A2 C R Moduler l'énergie A32 Variateur (partie modulation) Puissance Sens des mouvements Réglage des vitesses Ordre de fonctionnement mesurable modulée Signe Fréquence Convertir Adapter l'énergie A33 Motoréducteur Charge en position initiale Z0 mécanique récupérée Actigramme A3 restituée Pertes dans les composants de puissance Pertes énergétiques mécanique mesurée mécanique fournie au treuil Changer la position de la charge A4 Charge en position finale Z1 quipement de levage Page 12 sur 14
DOCUMNT RÉPONS 3 ÉNRGI ÉNRGI ÉNRGI RÉSAU MODULATUR D'ÉNRGI CONVRTISSUR D'ÉNRGI TRUIL MONTÉ DSCNT DOCUMNT RÉPONS 4 + MONTÉ Réseau U I R Variateur Moteur + DSCNT Réseau U I R Variateur Moteur Page 13 sur 14
DOCUMNT RÉPONS 5 Montée Descente Générateur Récepteur DOCUMNT RÉPONS 6 Position du potentiomètre 2 4 6 8 10 Puissance absorbée P a [W] Vitesse de rotation du moteur N m [min 1 ] ffort exercé sur la poulie F t [dan] Puissance utile P u [W] Rendement η Page 14 sur 14