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L . Technique Mohammedia Classe : 1 STE SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 1/51 www.chari.123.ma I. Présentation Pour agir sur la matière d'œuvre, un système automatisé a besoin d’énergie, qui subira de nombreux traitements pour être adaptés à la nature de l'action sur la matière d'œuvre. L’unité A.D.C. traite donc de ces aspects qui peuvent être modélisés par les fonctions génériques, c'est à dire qui s'appliquent sur la plupart des systèmes ; il s'agit des fonctions : Alimenter ; Distribuer ; Convertir; Ordres Acquérir Traiter Communiquer Transmettre Agir CHAÎNE D’INFORMATION CHAÎNE D’ENERGIE Grandeurs physiques, consignes Messages Informations MO MO+VA Unité ADC Alimenter Distribuer Convertir - Energies électriques. - Grandeurs électriques. - Protection des biens et des personnes. - Energie pneumatique. - Préactionneurs électriques. - Préactionneurs pneumatiques. - Variateurs de vitesse industriels. - Hacheur série. - Moteur à courant continu. - Vérins. - Lampes. - Résistances chauffantes. CHAINE D’ENERGIE : module A.D.C.

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I. PrésentationPour agir sur la matière d'œuvre, un système automatisé a besoin d’énergie, qui subira de nombreuxtraitements pour être adaptés à la nature de l'action sur la matière d'œuvre.

L’unité A.D.C. traite donc de ces aspects qui peuvent être modélisés par les fonctions génériques, c'est à direqui s'appliquent sur la plupart des systèmes ; il s'agit des fonctions :

Alimenter ; Distribuer ; Convertir;

Ordres

Acquérir Traiter Communiquer

Transmettre Agir

CHAÎNE D’INFORMATION

CHAÎNE D’ENERGIE

Grandeursphysiques,consignes

Messages

Informations

MO

MO+VA

Unité ADC

Alimenter Distribuer Convertir

- Energies électriques.- Grandeurs électriques.- Protection des biens et des

personnes.

- Energie pneumatique.

- Préactionneurs électriques.- Préactionneurs

pneumatiques.- Variateurs de vitesse

industriels.- Hacheur série.

- Moteur à courant continu.

- Vérins.

- Lampes.

- Résistances chauffantes.

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I.1. Présentation

Alimenter c’est fournir au système l’énergie dont il a besoin pour fonctionner.Les types d’énergie :

Energie électrique Energie pneumatique Energie mécanique

ALIMENTERAGIR

SUR LA

MATIERE

D’OEUVRE

TRANSMETTRECONVERTIRDISTRIBUER

Ordres

Energies

d’entrée

Chaine d’énergie

Matière

d’œuvre

entrante

Matière

d’œuvre

sortante

II. Energie électrique

L’alimentation en énergie électrique comporte plusieurs étapes : production, transport, distribution et utilisation del’énergie.L’énergie électrique est une énergie secondaire, elle est produite à partir d’énergies primaires (eau, vent, soleil, pétrole,uranium).

II.1. Réseau national (source non autonome)II.1.1. topologie du réseau

On appelle réseau électrique l'ensemble desinfrastructures permettant d'acheminer l'énergieélectrique des centrales électriques, vers lesconsommateurs d'électricité.A la sortie de la centrale, un premier poste detransformation (élévateur) augmente la tensionà 225 KV. Ceci permet de minimiser les pertesd’énergie pendant le transport. Près du point delivraison, un deuxième poste de transformation(abaisseur) fait l’opération inverse: il abaisse latension pour la mettre aux normes du réseaudomestique ou industriel.Pour satisfaire sa mission de service public,O.N.E. se doit de garantir une électricité de qualitéà l'ensemble de ses clients, tous les jours del'année et en tout point du territoire.

II.1.2. Types de centrale

Une centrale électrique fonctionne grâce à : un réservoir d’énergie dite primaire qui sera transformée en énergie mécanique, une turbine qui possède de l’énergie mécanique du fait de son mouvement de rotation (sauf centrale éolienne), un alternateur qui convertit l’énergie mécanique de la turbine en énergie électrique.

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II.1.3. Energie d’origine hydraulique

Dans les centrales hydrauliques, un courant d'eau (énergiecinétique) actionne les turbines.Pour capter la force motrice de l'eau, on utilise soit lahauteur des chutes d'eau, soit le débit des fleuves et desrivières.

On classe les centrales hydrauliques en trois catégories : Les centrales hydrauliques basses chutes (ou

au fil de l'eau) Les centrales moyennes chutes Les centrales de hautes chutes

Les centrales hydrauliques basses chutes(ou au fil de l'eau)

Elles sont caractérisées par un débit très importantmais avec une faible hauteur de chute.Turbine utilisée : turbine Kaplan

Les centrales moyennes chuteselles sont caractérisées par une hauteur de chutecomprise entre 30 et 200 m. L'usine se situegénéralement au pied du barrage. Ce sont souventdes usines de retenuesTurbine utilisée : turbine Francis.

Les centrales de hautes chuteselles sont caractérisées par une forte hauteur de chuteh>200m. L'usine est toujours située à une distanceimportante de la prise d'eau parfois plusieurskilomètres. Turbineutilisée : turbine Pelton.

II.1.4. Energie d’origine thermique

Dans les centrales thermiques : La chaleur produite dans la chaudière par la combustion du charbon, gaz ouautre, vaporise de l'eau. Cette vapeur d'eau est alors transportée sous haute pression et sous haute températurevers une turbine. Sous la pression, les pales de la turbine se mettent à tourner.

L'énergie thermique est donc transformée en énergie mécanique. Celle-ci sera, par la suite, transformée à sontour en énergie électrique via un alternateur. A la sortie de la turbine, la vapeur est retransformée en eau(condensation)) au contact de parois froides pour être renvoyée dans la chaudière où le cycle recommence

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II.1.5. Energie d’origine nucléaire

A l'intérieur du réacteur, l'uranium 235 est le siège d'une réaction nucléaire qui produit une grande quantité dechaleur.Cette chaleur est continuellement évacuée hors du réacteur vers un échangeur de chaleur, grâce à un fluide ditcaloporteur. L'échangeur transfère la chaleur qui lui vient du réacteur à un circuit eau-vapeur analogue à celuid'une centrale thermique classique. La vapeur produite sous forte pression entraîne une turbine couplée à unalternateur, puis se condense dans un condenseur et est ensuite réinjectée dans l'échangeur

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II.2. Sources autonomesII.2.1. Energie solaire : existe en deux types

II.2.1.1. Photovoltaïque

L’effet photovoltaïque est simple dans son principe. Les panneaux solaires secomposent de photopiles constituées de silicium, un matériau semi-conducteurqui abrite donc des électrons. Excités par les rayons du soleil, les électronsentrent en mouvement et produisent de l'électricité.

L'énergie solaire photovoltaïque est surtout utilisée pour la fournitured'électricité dans les sites isolés : électrification rurale et pompage de l'eau(50%), télécommunications et signalisation (40%), applications domestiques(10%)

II.2.1.2. Solaire thermique

Le solaire thermique ne produit pas d'électricité mais de la chaleur. Celle-ci permet d’obtenir des températures del’ordre de 450°C. Cette température permet d’évaporer l’eau qui fait tourner des turbines

II.2.2 Energie éolienne

Les aérogénérateurs (ou éoliennes) convertissent la force du vent enélectricité. Ils sont constitués d'un tour sur lequel tourne une hélicecomposée de 2 ou 3 pales (de diamètre allant de 40 à 100 mètres pourles plus grandes éoliennes). Celles-ci captent l'énergie du vent pour fairetourner une génératrice qui produit du courant électrique.Les éoliennes fonctionnent à pleine puissance de 2000 à 3000 heures paran, soit environ 1/3 du temps

II.2.3. Groupe électrogène

Le fonctionnement d’un groupe électrogène se base sur le principesuivant lequel l’énergie mécanique est produite par un moteur à essenceou moteur diesel (moteur thermique) qui entraîne un alternateurproduisant de l’électricité. Ces groupes sont généralement utiliséscomme alimentation de secours, alimentation électrique ininterruptibledans les locaux exigeant une continuité de service tel que les hôpitaux,les centres informatiques

II.2.4. Piles et accumulateurs

Les accumulateurs et les piles sont des systèmes électrochimiquesservant à stocker de l'énergie. Ceux-ci restituent sous forme d'énergieélectrique, exprimée en wattheure (Wh), l'énergie chimique généréepar des réactions électrochimiques. Ces réactions sont activées au seind'une cellule élémentaire entre deux électrodes baignant dans unélectrolyte lorsqu'une résistance, un moteur électrique par exemple, estbranchée à ses bornes.L'accumulateur est basé sur un système électrochimique réversible. Ilest rechargeable par opposition à une pile qui ne l'est pas. Le termebatterie est alors utilisé pour caractériser un assemblage de cellulesélémentaires (en général rechargeables)

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III. Exercices

Exercice 1 :

1. L’énergie électrique est-elle stockable ? Oui Non

2. L’énergie électrique est-elle facilement transportable ? Oui Non

3. La production de l’énergie électrique est-elle constante quel que soit la période de l’année ? Oui Non

4. Quelles sont les différentes sources de production d’énergie électrique ? Pour cela compléter le tableau suivant.

Centrales Energie primaire

5. Quelle est l’unité de mesure de la quantité d’énergie électrique ? Volt Watt Ampère Wattheure

6. La majorité de l’électricité produite au Maroc est issue du nucléaire. Vrai Faux

Exercice 2 :Une station d’irrigation est alimentée par cellules solaires. Sachant que la station est constituée par deux pompes dont lapuissance de chacune est 3 kW. La tension d’alimentation nominale est de 100 V (c’est la tension à fournir au groupepompe/convertisseur).Sachant que chaque cellule élémentaire peut fournir une puissance 1W avec une tension 1.25V :

1. Quel est le nombre de cellules photovoltaïques à utiliser ?2. Donner un schéma de branchement de ces cellules.3. Si l’aire d’une cellule est de 5 cm2. Quelle est l’aire totale en m2 occupée par le panneau solaire ?

Exercice 3 :On utilise 6 piles identiques de 1,5 V chacune pour alimenter un radio-CD 9 V - 4,2 W.

1. Comment devra-t-on associer les 6 piles pour obtenir les 9 V souhaités ?2. Donner le modèle équivalent de Thévenin de cette association.3. Calculer l’intensité du courant que doivent fournir les piles pour alimenter l’appareil « à plein régime ».4. Chaque pile à une capacité de 2000 mAh. Calculer le temps pendant lequel il est possible de faire fonctionner la

radio-CD.

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I. Le courant électrique

Un courant électrique (déplacement de porteur des charges) ne peut s'établir que dans un circuit électrique fermé.Par convention, on dit que le courant sort de la borne + du générateur; il est opposé au sens réel du déplacement desporteurs de charges. Ce sont les électrons dans les métaux.

Circuit ouvert ( à vide ) Circuit fermécas particulier du court-circuit

(Danger : à ne pas faire)

U = Uo =

U à vide

I = 0 AI

U UCC = 0V

I = Icc

L'intensité du courant est une grandeur algébrique, elle se mesure à l'aide d'un ampèremètre.Elle s’exprime en ampère (A).

II. Différence de potentiel ( d.d.p ). TensionSoit un dipôle AB:Ce lit comme suit : la tension entre le point A et le point B (ou ladifférence de potentiel entre A et B) est égale au potentiel électriquedu point A moins le potentiel électrique du point B.La tension est une grandeur algébrique, on la mesure à l'aide d'unvoltmètre. Elle s’exprime en volt (V).

UAB

A B

UBA = -UAB

III. Convention d'orientation des dipôlesConvention générateur

Les grandeurs tension et courantsont toutes deux considérées

positives.

Convention récepteur

U

I

U

I

IV. Puissance électrique

En physique, une puissance représente une quantité d’énergie par unité de temps. Ainsi, un système qui fournitbeaucoup de puissance fournit beaucoup d’énergie (Joules) par secondes, on appelle ça des Watt (1W = 1J/s).

Pour mesurer la puissance consommée ou fournie par un dipôle, il n'existe qu'un seul type d'appareil : le Wattmètre.Un Wattmètre se symbolise par l'indication W et comporte 4 bornes :

WEntrée du circuit

"courant"

Sortie du circuit

"courant"

Circuit "tension"

U

I W

U

I

Charge

V. Fréquence

Pour un signal périodique u (t), c'est le nombre de périodes par seconde.L'unité de la fréquence est l’hertz (Hz). De ce fait la relation qui lie lafréquence à la période est : f = 1/TT : période en seconde (s). C'est le temps après lequel le signal se répète.

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V. RésistancesV.1. Loi d'ohm pour une résistance en convention récepteur

résistorrésistorI

U

résistorU = R.I R : résistance du résistor (en Ohm Ω)(Ceci veut dire qu'aux bornes du résistor R, il y a la tension U et qu'il esttraversé par le courant I).

Expression de la résistance : la résistivité en fonction de la température :

ρt : résistivitétempératu

a : est le coef

V.2. Association de résistancesV.2.1. Association sérieDes dipôles sont en série lorsqu'ils sont traversés par le même courant et partaun nœud de courant.

U1 U2

U

I IR1 R2

U = U1 + U2 = (R1 + R2 ) I U

Donc : Réq = R1 + R2 En série, les résist

V.2.2. Association parallèle

Des dipôles sont en parallèle, lorsqu'ils sont soumis à la même tension e

I1

I2

I

U

IR1

R1

I = I1 + I2 = U (1/R1 + 1/R2) I

Donc :

V.2.3. Données techniques des résistances

Les résistances sont les composants les plus utilisés dans les circuits ; on en troleur structure, leur forme, leurs caractéristiques électriques selon la technique delles sont destinées. Les résistances peuvent être fixes ou réglables.

V.2.3.1. Résistances fixes

Ces résistances possèdent une valeur déterminée et se présentent sous trois typC'est la valeur de la résistance nominale en ohm pour laquelle l'élément a été écode des couleurs sur le composant. La tolérance c'est la fourchette des valeursgaranti la valeur réelle.

Marquage d'une résistance : Code desCouleur Noir Marron Rouge Orange Jaune Vert1erchiffre 0 1 2 3 4 52imechiffre 0 1 2 3 4 5

Puissance de10 100 101 102 103 104 105

Tolérance Or 5% Argent 10%

1Réq

=1R1

+1R2

Réq

L en m (mètre)s en m2

ρ résistivité du résistor en Ωm

R = ρ Ls

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à la température t et ρ0 résistivité à lare 0°Cficient de température du résistor

gent une même connexion qui ne soit pas

Réq

U

= Réq.I

ances s'additionnent.

t sont connectés bornes à bornes.

U

Réq

= U/ Réq

uve de nombreux types, différents pare fabrication adoptée et l'emploi auquel

es : aggloméré, à couche et bobiné.tabli. Elle est indiquée en clair, ou avec leextrêmes entre lesquelles le constructeur

couleursBleu Violet Gris Blanc

6 7 8 96 7 8 9

106 107 108 109

Sans marquage 20%

ρt = ρ0 (1 + at)

=R1. R2

R1 + R2

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Exemple

Couleurs : Rouge-Rouge-Orange-OrLa valeur de la résistance est :

22 KΩ à 5% La valeur réelle est comprise entre :

20,9KΩ ≤ R ≤ 23,1KΩ

Il existe des séries normalisées pour chaque précision voulue. La série E6 qui est la série de valeur nominale à 20%. La série E12 qui représente les valeurs d'une série à 10%. La série E24 qui est la série à 5%.

E6 10 15 22 33 47 68

E12 10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82

E24 10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91

Dissipation nominale en Watt.

C'est la puissance que l'élément peut dissiper d'une façon continue sans risque de détérioration.On trouve les puissances suivantes : 1/8W, 1/4W, 1/2W, 1W, 2W, 3W et 4W dont les dimensions varientproportionnellement

V.2.3.2. Résistances réglablesRésistances ajustables Potentiomètres

On appelle ajustables ou potentiomètresajustables des résistances dont la valeur estvariable et peut être ajustée par l'utilisateur.Ces résistances se présentent sous la forme d'unpetit boîtier muni de trois pattes et d'un curseurrotatif, à souder sur le circuit imprimé.Il existe une grande variété de modèles, à pistede carbone ou à piste cermet, capotés ou non,horizontaux (pour un montage "couché") ouverticaux (montage "debout").Elles s'ajustent en tournant, à l'aide d'un tournevis,le curseur central.

Les potentiomètres sont identiques, dans leur principe,aux ajustables, mais ils sont nettement plus volumineuxet munis d’axe, sur lequel on peut au besoin adapter unbouton de réglage.

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VI. Alimentations stabiliséesVI.1. Présentation

Les alimentations stabilisées sont utilisées pour fournir une tension continue. On en trouve pratiquement dans tous lesappareils électroniques. (Audio, vidéo, ordinateur, etc...)

VI.1.2. synoptique de l’alimentation stabilisée

Abaisser Redresser. Filtrer Réguler

VI.1.3. schémas de principe

VI.2. fonctionnementVI.2.1. fonction abaisser la tension

Cette fonction est réalisée par un transformateur. Il permet de diminuer l'amplitude de la tension secteur.

Energie électriqueRéseau

220V, 50Hz

ConvertirUne tension Tension continue

Chaleur évacuée

Alimentation stabilisée

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Caractéristique du transformateurRapport de transformation Puissance apparente d'un transformateur

Un transformateur est caractérisé par son rapport detransformation. Ce rapport est fonction du nombre de spiresdes enroulements primaire et secondaire :

m = U20 / U1 = N2 / N1 = I1 / I2

U1 : tension primaireU20 : tension à vide secondaireN1 : nombre de spires primairesN2 : nombre de spires secondaires

L'autre caractéristique d'un transformateur est la puissancetransmise du primaire vers le secondaire. Cette puissanceest appelée puissance apparente S et s'exprime en V.A(voltampère) et est égale à : S = U I donc dans notre cas:S = U2.I2

IV.2.2. Fonction redresser la tension

Cette fonction est réalisée par un pont de diode. L'opération consiste à redresser l'alternance négative. On parle detension continue redressée

Alternance positive Alternance négative

La tension U2(t) est positive, les diodes D1 et D4 semettent à conduire. Les diodes D2 et D3 sont bloquéescar la tension à leurs bornes est négative.

D1 et D4 passantesD2 et D3 bloquées

La tension U2(t) est négative, les diodes D2 et D3 se mettent àconduire. Les diodes D1 et D4 se bloquent car la tension àleurs bornes est négative.

D2 et D3 passantesD1 et D4 bloquées

IV.2.3. Fonction filtrer la tension

Après redressement, la tension de sortie aux bornes du pont redresseur est loin d'être continue. Le filtrage a pour but detransformer cette tension redressée en une tension continue légèrement ondulée.L'élément utilisé pour réaliser cette fonction est le condensateur

Loi électrique du condensateurCharge électrique Q : Q = C . U = I . t ou Q = C . U = I . t

La charge électrique Q s'exprime en CoulombsC capacité en FaradU d.d.p. entre armatures en Volt

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IV.2.4. Fonction réguler la tension

Malgré le filtrage, la tension aux bornes du condensateur n'est pas parfaitement continue, elle présente une légèreondulation.Pour obtenir une tension parfaitement continue, on utilise un régulateur de tension.

IV.2.4.1. Caractéristique du régulateur

Un régulateur de tension possède trois bornes : une entrée E recevant la tension redressée filtrée une sortie S qui délivre une tension très précise à la charge à alimenter une masse M reliée à la polarité négative de la tension redressée filtrée.

IV.2.4.2. Fonctionnement du régulateur

La tension d'entrée du régulateur doit être suffisammentgrande afin de maintenir Vs constante.

Les constructeurs donnent une tension d'entréeminimum à respecter afin d'assurer le fonctionnementcorrect du régulateur.

IV.3. Aspect énergétique

Puissance absorbée par le montage : Pa = Ve . I Puissance fournie à la charge : Pu = Vs . I Puissance perdue par effet joule : Pp = ( Ve - Vs) I Le rendement du montage est donc :=Pu/Pa=Vs/Ve

Remarques

Pour obtenir un rendement convenable, la valeur de la tension d'entrée Ve doit être la plus près possible de Vs. Mais latension (Ve - Vs) ne peut descendre en dessous d'une valeur minimale (valeur imposée par le régulateur, de l'ordre de 2 à3 Volts).

Donc, la tension d'entrée non régulée Ve ne devra jamais être inférieure à (Vs + (Ve - Vs) mini) sinon la tension desortie ne sera plus constante.

V. ExercicesExercice 1:

1. Vérifier que la résistance équivalente vue du générateur à l’association de toutes les résistances est Req = 4 k2. Flécher toutes les tensions et tous les courants.3. Calculer toutes ces tensions et tous ces courants.

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R1

R2

R3

R4 R5

R65

10V

Exercice 2:Calculer la résistance d’un cordon électrique en cuivre de longueur 60 cm et de section 0,5 mm2 à la température de 0°puis de 20°. On donne pour le cuivre : la résistivité à 0° : 1,6 10-8 m. le coefficient de température : 4 10-3

Exercice 3:1. Calculer R234 la résistance équivalente au groupement R2, R3 et R4.2. Exprimer U2 en fonction de U, R1 et R234 puis calculer U2.3. Exprimer U4 en fonction de U2, R3 et R4 puis calculer U4.4. Exprimer I3 en fonction de I1, R2, R3 et R4 puis calculer I3.

R1

R2R3

R4

U

U4

U2

I3I1

I2

Exercice 4:On souhaite étudier le fonctionnement d’une lampe torche.On dispose pour cela :- d’une pile,- d’une lampe,- de fils conducteurs,- d’un interrupteur.

I. Parmi les trois schémas proposés ci-dessous, entourer celui qui modélise la lampe torche.

II. Une fois le circuit réalisé et l’interrupteur fermé, la lampe ne brille pas. On décide donc de tester le circuit pourexpliquer ce disfonctionnement.1. Premier test : mesure de l’intensité

a) Quel appareil de mesure doit-on utiliser ?b) Reproduire le schéma choisi précédemment en plaçant cet appareil de mesure.

2. Deuxième test : mesure de la tensiona) Quel appareil de mesure doit-on utiliser ?b) Ajouter cet appareil sur le schéma précédent.

3. Résultat des mesures : intensité = 0,3 A et tension = 1,2 V.a) Calculer la puissance consommée par la lampe lors des mesures. (Rappel P = U I)b) En observant les caractéristiques de la lampe, dire pourquoi elle ne brille pas.

R1 = 2,5 kR2 = 3 kR3 = 1,5 kR4 = 1,5 kR5 = 6 kR6 = 300

R1 = 100 R2 = 64 R3 = 47 R4 = 10 U = 20 V

FONCTION ALIMENTER : GRANDEURS ELECTRIQUES

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4. Remède : quelle solution peut être envisagée pour que lalampe brille normalement. Cocher la bonne réponse.

changer l’interrupteurmettre une lampe de plus forte puissancechanger les filschanger la pile

Exercice 5:Une installation électrique isolée est alimentée sous 220 V par un générateur électrique de courant continu. Ellecomporte les appareils suivants :

un fer à repasser de 800 W ; un sèche-cheveux de 650 W ; un moteur d’appareil électroménager de 350 W ; dix lampes marquées 60 W ; une machine à laver de 2 KW.

1- Calculer l’intensité du courant qui passe dans la ligne si tous les appareils de l’installation fonctionnent en mêmetemps.2- Calculer le coût de 5 heures de fonctionnement, en admettant que 1 KWh est facturé 0,90 dirhams.

Exercice 6:Pour alimenter une lampe (6V, 100 mA), on utilise une alimentation stabilisée réglable de 0 à 30 V.1. Faire un schéma du montage à réaliser pour relever la tension aux bornes de la lampe.On dispose des calibres suivants : 100 mV, 200 mV, 0,5 V, 1V, 5V, 10V, 20V, 220V.2. Quel calibre choisissez-vous ? Justifier.3. L'alimentation stabilisée ne fonctionne pas. On se propose d'utiliser un générateur qui délivre une tension fixe de 15volts. Calculer la valeur de la résistance de protection à mettre en série avec la lampe pour qu'elle fonctionne dans lesconditions nominales ?4. Choisir le conducteur ohmique le mieux adapté parmi les valeurs normalisées des résistances suivantes :

47 Ω, 1W 100 Ω, 0,5 W 100Ω,1W 220 Ω, 1W

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I. IntroductionL'électricité ne sent pas, ne se voit pas et ne s'entend pas, ce qui la rend très dangereuse pour les utilisateurs. En effet, lamauvaise utilisation de l'électricité peut entraîner des accidents plus ou moins graves.

II. Effets physiologiques du courant électriqueII.1. Effet du courant sur le corpsLes effets et dommages provoqués dépendent du trajet du courant électrique dans le corps humain. Certains organessouffrent plus fortement des chocs électriques.

II.2. Paramètres à prendre en compte pour l’évaluation des risques

Quatre paramètres interdépendants influent sur le niveau des risques : Ic: courant qui circule dans le corps humain, Uc : tension appliquée au corps, R : résistance du corps, t : temps de passage du courant dans le corps.

PROTECTION DES PERSONNES

Les musclesfléchisseurs

Les musclesrespiratoires

Le musclecardiaque

Le bulbe rachidien

Passage du courant dans…

La peau

Fibrillationventriculaire

Asphyxieavec

cyanose

Collage de lavictime ;

impossibilitéde se libérer

Picotement ;brûlures

Inhibition descentres commandant

les manœuvresrespiratoires et

réglant le rythmecardiaque

Effet thermique

Brûlure

Par arcElectrothermique

Picotement

Contraction musculaire

Tétanisation des muscles respiratoires

Principaux effets du courant électrique sur l’homme

Secousse électrique

(0,5 mA ~ )

(5 mA ~ )

(10 mA ~ )

(25 mA ~ )

Fibrillation ventriculaire(50 mA ~ )

T

E

M

P

S

(130 mA - )

(2 mA - )

Electrisation

Fibrillation ventriculaire :

Fonctionnement anarchique du cœur(nécessité d’utiliser un défibrillateur)

Mort clinique

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Relation entre le temps de passage du courant de choc dans le corps humain et l’intensité de ce courant Zone 1 : habituellement aucuneréaction Zone 2 : habituellement, aucuneffet physiologique dangereux Zone 3 (de la ligne b jusqu’à lacourbe c1) : Habituellement aucundommages organiques.Probabilités de contractionsmusculaires et de difficultés derespiration pour des durées depassage du courant supérieures à2 secondes. Zone 4 (au-delà de la courbec1) : risques d’arrêt du cœur, arrêtde la respiration, brûlures graves

- Entre les courbes c1 et c2 : laprobabilité de fibrillationventriculaire augmente jusqu’à 5%

- Entre les courbes c2 et c3 :probabilité de fibrillationventriculaire jusqu’à environ 50%

- Au-delà de la courbe c3 :probabilité de fibrillation ventriculairesupérieure à 50%

Relation entre le temps de passage du courant de choc dans le corps humain et la tension de contact

Selon le type de local, la normeNFC 15-100 précise, pour une tensiond’alimentation en courant alternatif,deux valeurs de tensions limitesconventionnelles de sécurité UL :

UL = 25 V pour les locaux mouillés, UL = 50 V pour les locaux secs.

Ces tensions, non dangereusesdans des environnements précis,définissent des courbes où les risquessont contrôlés en fonction du temps depassage du courant dans le corps.

Exemple :Lors d'un défaut dans un local sec(UL = 50 V), si la tension de contact vaut100 V, le dispositif de protection doitcouper le circuit en moins de0,4 secondes.

PROTECTION DES PERSONNES

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III. Formes d’accidents

Phase (HT)Phase

Phase

Neutre

Neutre

Terre Terre TerreIsolant

Avec contact

Amorçage IndirectDirect

Sans contact

Source d’énergie électrique

Approche d’unconducteur sous hautetension et d’un élément

conducteur relié à laterre

Relativement rare

Contact entre unepartie active sous

tension et unélément conducteur

relié à la terre

Très fréquent

Contact entre unepartie active sous

tension et une autrepartie active sous

tension

Fréquent

Contact entre une massemise acciden-tellement

sous tension et unélément conduc-teur relié

à la terre

Relativement fréquent

Contact entre une massemise accidentellement soustension et une autre masse

mise accidentelle-ment soustension

Très rare

III.1. Contacts directs

Qu’appelle-t-on un contact direct ?C’est le contact d’une personne avec une partie d’un équipement ou d’une installation normalement soustension.

Moyens de protection

Les dispositions de protection contre les risques de contacts directs ont pour but d’assurer la mise hors de portée depièces nues sous tension accessibles aux travailleurs.

La protection peut être obtenue par l’un des trois moyens suivants :

L’isolation des parties actives du matériel électrique (gaine, cache bornes, etc.). La protection au moyen d'enveloppes et de barrières (coffrets, tableaux, etc.) qui permettent de rendre le

matériel électrique inaccessible. Mise hors de portée, par éloignement : C'est le cas des lignes aériennes à haute tension et basse tension.

III.2. Contacts indirects

Qu’appelle-t-on un contact indirect ?C’est le contact d’une personne avec une masse métallique mise accidentellement sous tension par défautd’isolement. Ce type de contact est très dangereux car, contrairement au contact direct, il n’est pas lié àl’imprudence ou à la maladresse de l’utilisateur.

Différents moyens de protectionUtilisation de la Très Basse Tension (TBT)

La protection est assurée aussi bien contre les contacts directs qu'indirects lorsque la tension ne dépasse pas celle donnéedans le tableau. Les installations en TBT doivent être alimentées à partir de sources de sécurité, c'est à dire parfaitementisolées des installations de tension supérieure (exemple: transformateurs d'isolement, piles, accumulateurs, …)

PROTECTION DES PERSONNES

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Tension limiteExemples d'utilisation

En alternatif En alternatif50 V 120 V Locaux d'habitation, bureaux, locaux non mouillés25 V 50 V Locaux mouillés, chantiers extérieurs secs12 V 25 V Piscines, volume dans salle de bain

Association de la mise à la terre avec des dispositifs de coupure automatique de l’alimentation

Dans le cas d’installations alimentées directement en BT par Lydec (régime TT), on utilise un dispositif à coupureautomatique de l’alimentation en cas de défaut : disjoncteur ou interrupteur à courant différentiel résiduel (DDR).

IV. Disjoncteur différentiel à courant résiduel (D.D.R.)

Le disjoncteur différentiel magnéto – thermique est aussi appelé Dispositif Différentiel à courant Résiduel (DDR), qui apour rôle d’assurer :

La protection des circuits contre les courants de défauts de surcharge et de court-circuit (fonction disjoncteurmagnéto – thermique).

La protection des personnes contre les contacts indirects, fuite de courant à la terre (fonction différentielle).

Fonctionnement symboles

Id

InIph

DDR

Récepteur

Pas de défaut : Id = 0 Iph = In le DDR ne déclenche pas.

Défaut : Id ≠ 0 Iph ≠ In leDDR déclenche si le courant de

défaut est supérieur à sasensibilité In.

Symboles unifilaires

Tableau: Sensibilité DDR / Résistance maxi prise de terre

Valeur deDDR

Résistance maxi de laprise de terre pour une UL

de 25 V

Résistance maxi de la prise deterre pour une ULde 50 V

Bassesensibilité

1000 mA 25 Ω 50 Ω 650 mA 38 Ω 76 Ω

Moyennesensibilité

500 mA 50 Ω 100 Ω 300 mA 83 Ω 166 Ω 100 mA 250 Ω 500 Ω

Hautesensibilité

30 mA 830 Ω 1660 Ω 10 mA 2490 Ω 4980 Ω

Remarque:En fait le dispositif déclenche sur une plage, c'est à dire qu'il est susceptible de fonctionner entre I∆n/2 et I∆n.

Règles à respecter Le neutre de l’installation doit être relié à la terre.

C’est le travail de Lydec, quand le poste de transformation n’appartient pas à l’utilisateur (domestique, petiteindustrie,...)

Interconnecter les masses et les relier à une prise de terre différente de la prise de terre du neutreC’est à la charge de l’utilisateur.

Mettre en place un dispositif différentiel à courant résiduel (DDR) de calibre :

IUL

RAn

C’est à la charge de l’utilisateu

PROTECTION DES PERSONNES

UL : Tension limite de sécurité du localIn : Calibre du DDR (multiple de 3 ou de 1)

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r.RA : Résistance de terre de l’installation

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V. Exercices

Exercice 1 :Dans une habitation avec locaux mouillés et une résistance de la prise de terre de 37. Quelle devra être la sensibilité dudisjoncteur différentiel à utiliser ?

Exercice 2 :Dans une habitation avec locaux mouillés, on place un disjoncteur différentiel ayant une sensibilité de 500mA. Quelledevra être la résistance de la prise de terre ? Peut-on augmenter cette résistance de terre?

Exercice 3 :A l’arrivée d’une installation électrique, on observe la présence d’un disjoncteur différentiel de 650 mA. La tension desécurité étant de 50 V (local sec), quelle peut être la valeur maximale de la résistance de terre de cette installation ?

Exercice 4 :Dans une boulangerie, la résistance de la prise de terre est de 40 et le disjoncteur à l’arrivée du secteur a unesensibilité du différentiel résiduel de 500 mA. Quelle sera la tension à laquelle seront portées les masses en cas dedéfaut.

Exercice 5 :Une piscine utilise une pompe pour son installation de filtrage d’eau. La résistance de la prise de terre étant de 150.Quelle doit être la sensibilité du différentiel de protection ?

Exercice 6 :A l’arrivée d’une installation électrique, on a placé un disjoncteur 320 mA (dispositif différentiel résiduel). Donner lavaleur de la résistance maximale de la prise de terre en local humide.

Exercice 7 :En manipulant une « rallonge » en mauvais état dans sa cave très humide, une personne « touche » l’un des conducteursdénudés.a. y aura-t-il électrisation, électrocution, défaut de court-circuit, défaut d’écoulement à la terre ?b. quelle serait la tension de contact ?c. quel devrait être le temps de coupure de l’appareil de protection ?d. quelles seraient les caractéristiques de l’appareil de protection qui serait nécessaire ?

Exercice 8 :Sur le schéma, les 2 prises sont protégées par un disjoncteur différentiel.Parmi les affirmations suivantes, cocher celles qui sont correctes.

Un disjoncteur coupe le courant en cas de court-circuitLe disjoncteur différentiel nécessite une installation triphasée.Le disjoncteur différentiel détecte les courants de fuite.Le disjoncteur différentiel coupe le courant s'il détecte un courant defuite de plus de 30 mA.Un disjoncteur 40 A coupe le courant s'il est traversé par un courant deplus de 40 A.

PROTECTION DES PERSONNES

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L'énergie pneumatique utilise l'air comprimé comme fluide pour le transport de l'énergie, et sa transformationen énergie mécanique.

I. Constitution d’une installation pneumatique

La production est assurée par une installation qui comprend : Un compresseur actionné par un moteur électrique (pression de 7 à 10 bar). Un réservoir accumulateur d’énergie. Des dispositifs de sécurité et de régulation (soupape de sûreté, purges, filtres…). Des circuits de distributions généralement réalisés en tubes d’acier. Un repérage suivant la norme NF E 04-054 qui permet une visualisation rapide de l’installation : pour l’air

comprimé, on peint un anneau vert clair suivi d’un anneau rouge pour indiquer qu’il est sous pression.L’air comprimé est chargé d’impureté et d’eau qu’il faut éliminer pour assurer la longévité du matériel.

I.1. Compresseur

Il a pour rôle d’augmenter la pression de l’air.Deux types de compresseurs sont utilisés industriellement.

Compresseurs volumétriques : une quantité d’air à pression P1 est enfermée dans une enceinte à volumevariable, on diminue le volume de l’enceinte: la pression augmente jusqu’à P2, cet air est alors dirigé vers lepoint d’utilisation.

Turbocompresseurs : une vitesse élevée est communiquée à l’air basse pression. L’air acquiert une énergiecinétique, il est alors canalisé vers le point d’utilisation, son énergie cinétique se transformant en augmentationde pression.

I.2. Stockage

Le compresseur a souvent un débit pulsé, la pression d’air est donc variable.Un réservoir permet d’atténuer ces variations de pression jusqu’à les rendre négligeables.Le réservoir permet également de ménager des temps d’arrêt dans le fonctionnement du compresseur.

II. Réseau de distribution de l’air

La distribution d’énergie pneumatique se fait par canalisations rigides reliées par des cols de cygnes pour éviter derecevoir des impuretés ou de l’eau pouvant séjourner dans les conduites.Pour supprimer ces impuretés ou ces eaux stagnantes, il y a des purgeurs au point bas de chaque raccordement, et lescanalisations ont une légère pente.

FONCTION ALIMENTER : ENERGIE PNEUMATIIQUE

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III. Conditionnement de l’air (Unité F.R.L.)

Avant d’utiliser l’air, il faut le filtrer,l’assécher, le graisser et réguler sa pression.

Ainsi, avant chaque SAP (Système Automatiséde Production), on place une unité deconditionnement F.R.L. (appelées aussi « Têtede ligne ») qui adapte l’énergie pneumatiqueau système.

Cette unité FRL est constituée d’un Filtre,d’un mano-Régulateur et d’un Lubrificateur.

Vanne d’arrêt

Filtre

Mano-régulateur

Lubrificateur

Alimentation Machine

Symbole

V. Principes physiques

En faisant agir l’air comprimé sur une face immobile,on obtient une force F proportionnelle à la pression p età sa surface d’action S :

F = p. S F est la force résultante en Newton p est la pression en Pascals (Pa) S est la surface en m2.

Le pascal étant trop petit pour les pressionsutilisées dans l’industrie, on utilise souvent le bar :

1 bar = 105 Pa. (Pa : Pascal)

FONCTION ALIMENTER : ENERGIE PNEUMATIIQUE

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I. Présentation

L’énergie fournie par l’alimentation, qu’elle soit d’origine électrique ou pneumatique doit être distribuée aux différentsactionneurs du système. Deux possibilités peuvent alors être envisagées :

Distribution en tout ou rien (ou par commutation), la source d’énergie est alors mise directement en relationavec l’actionneur.

Distribution par modulation d’énergie, dans ce cas l’actionneur reçoit l’énergie de façon graduelle.Ces distributions sont assurées par des préactionneurs qu’on peut classer en fonction des grandeurs d’entrée et de sortie :

Préactionneurs électriques Préactionneurs pneumatiques

AGIR

SUR LA

MATIERE

D’OEUVRE

TRANSMETTRECONVERTIRDISTRIBUER

Ordres

Energies

d’entrée

Chaine d’énergie

Matière

d’œuvre

entrante

Matière

d’œuvre

sortante

ALIMENTER

II. Préactionneurs électriques T.O.R.II.1. Rôle

Un préactionneur électrique T.O.R. est unconstituant de gestion de l’énergie decommande afin de distribuer une énergieélectrique de puissance vers les actionneurs

Parmi les préactionneurs électriques les plus utilisés on trouve les relais et les contacteurs.Ces dispositifs permettent de commander un circuit de puissance à partir d’un circuit de commande.Les relais sont utilisés avec des circuits intégrés et un petit circuit de commutation (transistor), ils permettent decommander un circuit de puissance (contacteurs, lampes…).Les contacteurs fonctionnent de la même façon que les relais, ils permettent cependant la circulation d’un courantbeaucoup plus important. . Les contacteurs sont utilisés pour des très fortes puissances (moteur).

II.2. RelaisII.2.1. Relais électromagnétique

Définition :Comme son nom l’indique, il sert en tout premier lieu à " relayer ", c’està dire à faire une transition entre un courant faible et un courant fort.Mais il sert également à commander plusieurs organes simultanément

grâce à ses multiples contacts synchronisés.

Ordres PC présents

ETABLIR ouINTERROMPRE le

circuit électrique Energie électriquefournie

Préactionneur électrique

Energie électriquepotentielle

FONCTION DISTRIBUER : PREACTIONNEURS ELECTRIQUES

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Constitution :

Un relais " standard " est

constitué d’une bobine qui

lorsqu’elle est sous tension

attire par un phénomène

électromagnétique une

armature ferromagnétique qui

déplace des contacts.

1 2 5

4 3

Ressort

de rappel

Palettemobile

du

Circuit magnétique

en fer doux

Bobine du circuit

de commande

Contacts du circuit depuissance

Contacts :

Types de contacts

Caractéristique :

Un relais est caractérisé par : La tension de sa bobine de commande, 5V à 220V. Le pouvoir de coupure de ses contacts, qui est généralement exprimé en Ampère, 0,1A à 50A. C’est le courant

maximal qui pourra traverser les contacts. Le nombre de contacts souhaités. Son emplacement, circuit imprimé, à visser, embrochable, à souder. Le type de courant de sa bobine, en général du continu. La tension d’isolement entre la bobine et les contacts. La gamme de temps pour un relais temporisé. Son ambiance, vibrations, humidité, poussières, température.

II.2.2. Relais statique

Définition :Un relais statique est par définition un organe ayant la fonction d’un relais mais réalisé avec des composantsélectroniques, sans aucune pièce mécanique en mouvement.

Constitution :

Circuit d’entréeCelui-ci assure l’isolement galvanique entre lecircuit de commande et celui de puissance. Cetisolement est assuré par un photocoupleur.

Circuit d’adaptationIl traite le signal d’entrée et assure la commutationdu circuit de sortie.En particulier dans le cas de la commutation au zérode tension, ce circuit assure que la commutation dela sortie a lieu au zéro de tension suivant.

Circuit de sortieIl est composé de l’organe de puissance. Celui-cipeut être un triac soit des thyristors antiparallèles.Dans le cas de la commutation de charges continues,l’élément de puissance est soit un transistor soit unMOSFET.

Organe de commutation

Phototransistor

DEL

Circuit d’entrée. Circuit d’adaptation Circuit de sortie

Tension

de sortie

Tension

d’entrée

Charge

Contact à fermeture NOContact à ouverture NFContact inverseur

FONCTION DISTRIBUER : PREACTIONNEURS ELECTRIQUES

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II.3. Contacteurs

Les contacteurs électromagnétiques sont lespréactionneurs associés aux actionneursélectriques, principalement les moteurs.Ils comportent 4 ensembles fonctionnels :

le circuit principal ou circuit depuissance,

le circuit de commande, le circuit auxiliaire, l’organe moteur.

Circuit principal :C’est un ensemble de pièces conductrices du courant principal du contacteur. Il est constitué de :

pôles principaux (L1, L2, L3), contacts principaux (1-2 ; 3-4 ; 5-6), éléments de liaison électrique.

Circuit de commande :Il comprend le contact de commande ou d’auto-maintien ainsi que toutes les pièces conductrices autres que le circuitprincipal (n°3 et 7).

Circuit auxiliaire :Ce circuit est destiné à remplir des fonctions autres que celles assurées par les deux premiers circuits : verrouillage électrique signalisation

Il comporte essentiellement des contacts auxiliaires instantanés et temporisés.Les différents blocs sont représentés ci-dessous.Ils ont la particularité de s’installer sur la face avant comme indiqué sur le schéma..

Organe moteur :L’électro-aimant est l’élément moteur du contacteur. Il comprend : une bobine (24V ; 48V ; 110V ; 230V ; 400 V) alimenté en alternatif ou continu. un circuit magnétique fixe (la culasse) et un circuit magnétique mobile (l’armateur)Le circuit magnétique est :

feuilleté pour l’alimentation en alternatif pour limiter les pertes dues au courant de Foucault. massif pour l’alimentation en continu.

Dans une alimentation alternative, le courant est de fréquence 50 Hz. Cela crée dans le circuit magnétique un fluxqui s’annule 100 fois par seconde. Sous l’effet du ressort de rappel, le circuit magnétique se met à vibrer.

Afin d’éviter ce phénomène, une bague rectangulaire en cuivre ou en laiton est disposée de façon à embrasser les 2/3 ducircuit magnétique. Ceci à pour effet d’annuler les vibrations.Cette bague est appelée spire de déphasage ou spire de Frager (n° 11).

FONCTION DISTRIBUER : PREACTIONNEURS ELECTRIQUES

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1.Support contacts mobiles de pôle.2.Contact mobile de pôle « F ».3.Contact mobile auxiliaire « O ».4.Boîtier de pôles et chambre de

coupure de l’arc.5.Connexion de puissance.6.Contact fixe de pôle « F ».7.Contact fixe auxiliaire « O ».

8.Socle.9.Amortisseur de choc de l’électro-

aimant10. Partie fixe de l’électro-aimant.11. Bague de déphasage.12. Bobine d’attraction.13. Ressort de rappel de la partie

mobile de l’électro-aimant.14. Partie mobile de l’électro-aimant

fixation pour bloc auxiliaire.

Caractéristiques des contacteurs : Tension nominale : tension maximale d’utilisation en courant continu ou en courant alternatif de fréquence

50 ou 60Hz. Intensité nominale : courant d’utilisation. Pouvoir de coupure : valeur du courant que le contacteur peut couper sous une tension donnée. Nombre de pôles : uni-, bi-, tri- et tétrapolaire selon le type d’installation et le régime de neutre.

Représentation et schéma :

pôleauxiliaire

contacts auxiliairespar blocs additifs

SCHEMAS DE PUISSANCE

bobinepôle

auxiliaire

1

2

3

4

KM1

5

6

13

14

A1

A2

pôles depuissance

bobine

1

2

3

4

KM1

5

6

13

14

A1

A2

53

54

55

56

pôles depuissance

KM1

A1

A2

13

14

KM1

S1

S2

SCHEMA COMMANDE

Principe de fonctionnement :

Une impulsion sur MARCHE enclencheKM1 qui s’autoalimente (par son contactauxiliaire). Le moteur tourne.

Une impulsion sur ARRET provoquel’arrêt. Le moteur s’arrête.

FONCTION DISTRIBUER : PREACTIONNEURS ELECTRIQUES

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Choix d’un contacteur :

Le choix se fait en fonction du courant nominal alternatif ou continu et de la tension nominale et en tenant compte decertains éléments comme :

la catégorie d’emploi (chauffage, distribution, commande moteur, ascenseurs….). de la nature du circuit de commande : tension d’alimentation de la bobine. du nombre de manœuvres par heure et du nombre d’heures d’utilisation par jour.

du pouvoir de coupure.

Exemple de choix : Moteur 2,2 KW /400 V en catégorie AC3 commande 24V alt

Choix : LC1D09 B7

III. ExerciceExercice 1 :On souhaite commander une lampe à partir de la sortie parallèle du PC

On donne :

Vcc = 10 V R = 100 Ω (résistance du relais) Vcesat = 0,2 V Vbesat = 0.7 V

Ve = 5 V = 100 ( = Ic/Ib )

FONCTION DISTRIBUER : PREACTIONNEURS ELECTRIQUES

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1. Placer Vbe, Vce et Ib sur le schéma.2. Calculer la valeur de Ic3. En déduire la valeur de Ib4. Calculer Rb5. Justifier le rôle du transistor sachant que le courant délivré par la sortie du port // ne peut excéder une

quinzaine de milliampère

Exercice 2 :On vous demande de choisir les contacteurs correspondants aux cahiers des charges.

Cas N°Catégoried’emploi

Courantd’emploi

RéférenceNombresde pôles

1. Moteur à cage asynchrone triphasé(coupure moteur lancé) de 15 KW et decos φ=0,8 sous 400V, 50 Hz. Commande sous 24 V, 50 Hz.2. Four triphasé de 75 KW sous 400 V, 50 Hz.Commande sous 24 V, 50 Hz.3. Moteur à cage asynchrone triphaséde 15 KW et de cos φ=0,8 sous 400V,50 Hz. Commande sous 48 V, 50 z

Catégories d'emploila catégorie d'emploi tient compte de la valeur des courants à établir et à couper lors des manœuvres en

charge. Il y a 10 catégories d'emploi, 5 en courant continu et 5 en courant alternatif. Le courant alternatif estplus facile à couper du fait qu'il s'annule spontanément 100 fois par seconde.

Elles fixent lesvaleurs de courantque le contacteur

doit établir oucouper.

Catégorie Récepteur Fonctionnement

Alt

ern

atif AC – 1

AC – 2AC – 3AC – 4

Four à résistancesMoteur à baguesMoteur à cageMoteur à cage

Charges non inductives ou faiblement inductivesDémarrage, inversion de marcheDémarrage, coupure du moteur lancéDémarrage, inversion, marche par à-coups

Co

nti

nu

DC – 1DC – 2DC – 3DC – 4DC – 5

RésistanceMoteur shuntMoteur shuntMoteur sérieMoteur série

Charges non inductivesDémarrage, coupureDémarrage, inversion, à-coupsDémarrage, coupureDémarrage, inversion, à-coups

FONCTION DISTRIBUER : PREACTIONNEURS ELECTRIQUES

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I. Hacheur série à transistorI.1. Définition

Un hacheur est un convertisseur statique permettant d’alimenter une charge (moteur à courant continu) sous tension devaleur moyenne réglable à partir d'une source de tension constante (réseau alternatif redressé et filtré, batteried'accumulateurs, alimentation stabilisée…), avec un très bon rendement.

i

VuCharge

+

-

Source

I.2. Principe de fonctionnement

I.2.1. Interrupteur électroniqueLe principe du hacheur consiste à établir puis interrompre périodiquement la liaison source- charge à l’aide d’uninterrupteur électronique. Celui-ci doit pouvoir être fermé ou ouvert à volonté, ce sera un thyristor ou un transistor depuissance fonctionnant en régime de commutation.

I.2.2. Schémas

Source

continueDRL Charge

T

+

-

Circuit de

commande

Transistor en

commutation

U

Le transistor fonctionne en commutation (tout ou rien), ilest donc :

soit bloqué soit saturé

La tension de commande du transistor (reliée à la base) estune tension créneaux, de fréquence et rapport cycliquevariables indépendamment l’une de l’autre.Lorsque cette tension de commande est positive, elle rend letransistor passant et saturé.Lorsque cette tension est nulle (ou de préférence faiblementnégative), elle bloque le transistor.

T : est la période de fonctionnement. : est le rapport cyclique. Il est égal au rapport:

Durée de fermeture

Période

t

Tf .

Remarque :La diode de roue libre DRL assure la continuité du courant dans la charge si celle-ci est inductive (bobine ou moteur àcourant continu) quand le transistor est bloqué.

I.2.3. Débit sur une charge résistiveSchémas de montage :

V R

i

u

H

0 T

Etat hacheur

Fermé FerméOuvert

αTTemps

HACHEUR SERIE et VARIATEUR DE VITESSE INDUSTRIEL

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Analyse de fonctionnement : Courbes :

0 < t < α T : H est fermé :

V u

i

R

α T < t < T : H est ouvert :

V

i

uR

On appelle le rapport cyclique. IDurée de fermeture

Période

u

t

t

V

uH

i

V

Valeur moyenne de la tensionExprimons la valeur moyenne de uPour cela nous calculons sa valeurRemarque : En réglant α de 0 à 1,

I.2.4. Débit sur une charge R,Schémas de montage :

V

H

E

Analyse de fonctionnement :

0 < t < α T : H est fermé :

V u

i

R

E

α T < t < T : H est ouvert :

V uR

E

uH

uH

u

uH = 0

HACHEUR SERIE et VARIATEUR DE VITESSE INDUSTRIEL

u = 0i = 0

l est égal au rapport :t

Tf H H H H

0 αT 2T t

V/R

T

en sortie du hacheur : en fonction du rapport cyclique α.moyenne sur une période : u .T = V. αT soit : u = α .V on fait varier la tension aux bornes de la résistance de 0 à V.

E

R

i

u

0 T

Etat hacheur

Fermé FerméOuvert

αTTemps

Courbes :

Vu

uH

E

t

uH = V

u = Vi = (V-E)/R

t

t

(V-E)/Ri

V-E= 0

u = Ei = 0

u = Vi = u/R = V/R

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0 αT 2T TH

Fermé

H

Ouvert

H

Fermé

H

Ouvert

H = V-E

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Valeur moyenne de la tension en sortie du hacheur :

Exprimons la valeur moyenne de u en fonction du rapport cyclique α.

Valeur moyenne : u = α.T.V + (T- α.T) E Soit : u = α.V + (1- α) E

I.3. Exemple de circuit de commandeI.3.1 Circuit de commande à base de NE 555

+EC1

DRL CHARGE

T1

T2

R1

R23

1 26

784

NE 555D1

C2

DZ

R6

R7

R8

R4

Composants utilisés :

R1 = 4,7 Ω R2 = 220 Ω R4 = 100 Ω – 5W R6 = 4,7 KΩ R7 = 47 KΩ R8 = 4,7 KΩ C1 = 1000 μF–50V C2 = 2,2 nFT1 = 2N 3055T2 = 2N 1711DRL = BYX ou BY (Id≤10A) D1 = 1N 4148Dz = 6V – 1W

I.3.2 Circuit de commande à base de l’amplificateur opérationnel

+E C1

DRL CHARGE

T1

T2

R1

R3

D

C

D

R2

R’

R

RB

+

-

R"

R4

R5

Circuit d’adaptation

Astable

à rapport cyclique variable

HACHEUR SERIE et VARIATEUR DE VITESSE INDUSTRIEL

Page 31: Poly 1 Step 1112

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Classe : 1 STE

SI – Chain

I.4. hacheur réversible

Ce fonctionnement n’est possible que si la charge est un moteur à courant continu qui est une machine réversible.

I.4.1. Réversibilité

G M

M G

E

T

i

em12

3 4

E>0i>0

E>0i<0

E<0i<0

E<0i>0

Si la machine est un moteur de traction fonctionnantnormalement dans le quadrant 1, on doit pouvoirfreiner celui-ci : au lieu d'utiliser pour cela desmoyens mécaniques, on peut utiliser des moyensélectriques qui économisent de l'énergie. Il suffit eneffet de faire fonctionner la machine en génératrice,et, tant qu'elle tourne (E>0), de lui faire renvoyer del'énergie dans sa source d'alimentation. La figure ci-contre montre alors que le courant change de signe eton passe dans le quadrant 2.

Après la phase de freinage, on peut être conduit àdemander à la machine de reprendre sonfonctionnement en moteur, mais avec un sens derotation différent du premier (<0). L'explicationdes deux autres quadrants se fait de manièreidentique à la précédente.

I.4.2. H

Vs

II. Var

Les varactionn

II.1. Pr

D’aprè

Pour facompo

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Cem

Ω : Vitesse angulaire de la machineE : Sa f.é.m. (E = K.)i : Intensité du courant qui la traverseCem : Moment du couple Cem=K.i

e d’énergie – unité A.D.C page 31/51 www.chari.123.ma

acheur "quatre quadrants"

M

T1

T2

T3

T4

D1

D2

D3

D4

is

Vm

i

Fonctionnement:

À chaque période T, on commande la fermeture de T1 et T4 pendant αT ; on commande la fermeture de T2 et T3 pendant le

reste de la période.Pour 0 < t < αT, on commande la fermeture de T1 et T4 : si i > 0, il passe par T1 et T4 et Vm = Vs ; si i < 0, il passe par D1 et D4 et Vm = Vs.

Pour αT < t < T, on commande la fermeture de T2 et T3 : si i > 0, il passe par D2 et D3 et Vm = - Vs ; si i < 0, il passe par T2 et T3 et Vm = - Vs.

iateurs de vitesse pour moteur à courant continu

iateurs de vitesse sont des préactionneurs analogiques c'est-à-dire qu’els permettent de commander deseurs électriques (moteurs) par modulation de l’énergie.

incipe

s les principes des moteurs à courant continu, on fait varier sa vitesse : Par variation de la tension moyenne aux bornes de l’induit. Par variation du flux inducteur (variation de la tension d’inducteur).

ire varier les tensions d’induit ou d’inducteur, le variateur utilise des convertisseurs statiques constitués desants électroniques.

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Classe : 1 STE

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II.2. Constitution

En fonction de la nature de la source électrique, il existe deux types de convertisseur :

II.3. Variateur pour moteur à courant continu dans l’industrieCaractéristique de l’association moto variateur

C (Nm)

Cn

Nn N max N(tr/min)

Couple constant Puissance constante

De 0 à la vitesse nominale (Nn) : fonctionnement à couple constant. Variation de vitesse par variation de la tension

d’induit Fonctionnement à flux constant

De la vitesse nominale à la vitesse maximale (Nmax) : Fonctionnement à puissance constante Variation de vitesse par diminution du flux

inducteur (defluxage).

Les variateurs de vitesse permettent une gamme devitesse de 1 à 200.

(Gamme de vitesse = )

Exemples de variateur de vitesse industriel

Vitesse max

Vitesse min

Réseaualternatif sinusoïdal(Mono ou triphasé)

Réseau continu(Batterie)

ConvertisseurContinu / continu

(Hacheur)

ConvertisseurAlternatif / continu

(Redressement commandé)

M

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Présentation des schémas de câblage

Le variateur LEROY SOMMER DMV 201 est un variateur 2 quadrants (quadrant 1 et 4)

Le variateur RECTIVAR 4 série 44 est un variateur 4 quadrants

AssociationmoteurLeroysommer etvariateurDMV 201

Alimentation

Dynamo tachymétrique :(Asservissement en vitesse)

5

4

3

PotentiomètreConsignevitesse :Impose uneconsigne entension auvariateur pourfaire varier lavitesse moteur

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Fonctions disponibles sur les variateurs.

Limitation de courant Rôle : protection thermique du moteurRéglage : 1,5 x In

Asservissement en vitesse.

Dynamo

tachymétrique

Consigne

Alimentation

Commande des

convertisseurs

Convertisseur

La vitesse du moteur est régulée, en fonction : La consigne. L’image de la vitesse donnée par la dynamo tachymétrique. Rampe d’accélération et de décélération réglable

Vitesse de

rotation

Temps

Consigne

Temps

d’accélération

Temps de

décélération

III. Exercice

Le moteur est alimenté par l’intermédiaire d’un convertisseur continu-continu. L’énergie électrique est stockée dansune batterie placée à l’arrière du véhicule.

Dispositif

électronique

Batterie

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Le schéma de principe du circuit de puissance est le suivant :

Convertisseur

de puissance

i

M.C.C

Batterie

UB u

Base de temps : 10 s par division.

Calibre tension : 50 V par division.

Origine de

la voie : 0V.

1°) Quel est le nom de ce convertisseur continu-continu ?2°) Quel est le rôle de la bobine ?3°) On observe la tension u aux bornes de la charge. L’oscillogramme de la tension u aux bornes de la charge est donnéci-contre :Déterminer :a) la fréquence de la tension u ;b) le rapport cyclique c) la valeur moyenne de la tension u.d) Quel appareil de mesure peut-on utiliser pour mesurer la valeur moyenne de la tension u (préciser le nom et le type)?

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I. Rôle d’un préactionneur pneumatiqueL'étude est limitée aux préactionneurs pneumatiques Tout Ou Rien (T.O.R.) que l'on appelle distributeur pneumatique.Ils ont pour rôle de circuler le fluide ou l’air (sous pression) dans certaines directions. C'est grâce à eux qu'on peutcommander la sortie ou la rentrée de la tige d'un vérin par exemple

II. Constitution (description)

Nous ne parlerons que des distributeurs à tiroirs (les plus utilisés).

Tiroir Corps

A

3

21

R

D'une manière générale, un distributeur est composé principalement d’un corps, d’un tiroir, des orifices d'entrée et desortie du fluide ou de l’air et une ou deux commandes de pilotage.

III. Fonctionnement IV. Schéma de principePar hypothèse, on suppose que :

La pression alimente l’orifice 1 L’orifice 2 est à l’air libre L’orifice 3 est relié à un vérin simple effet.

Si l’on applique une pression à la commande ,le tiroir se déplace vers la gauche, et l’airsous pression sera envoyé dans la chambre duvérins : la tige sort.Si l’on applique une pression à la commande ,le tiroir se déplace vers la droite : la tige du vérinrentre.

A

3

Pression

d’alimentation

B

F

V. CaractéristiquesUn distributeur est caractérisé par :

Son nombre d’orifice (sans compter les orifices de commande). Le nombre de position du tiroir Le type de commande (1ou 2 position stable ; on parle de monostable ou bistable)

Les positions des tiroirs se symbolisent par des carrés, on symbolise le distributeur dans sa position de repos.Exemple : Le distributeur utilisé précédemment utilise :

3 orifices 2 positions de tiroir 2 commandes pour 2 positions (bistable)

Il s’agit donc d’un distributeur 3/2 bistable. Il se symbolise de la façon suivante :

A

B

Représentation des orifices bouchés

Orifices permettantbranchement des cond

Type de commande dudistributeur

Les lignes représentent lesCanalisations internes.

FONCTION DISTRIBUER : PREACTIONNEUR PNEUMATIQUE

: Orifice pour branchement

: Orifice de commande du distributeur

1

A R

2 3

Les flèches représentent le sens de

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circulation de l’air sous pressionleuits

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S’il s’agissait d’un distributeur 3/2 monostable, il se symboliserait de la façon suivante :

VI. Repérage des orifices

Le repérage des orifices des distributeurs est réalisé suivant unecodification normalisée.1 : alimentation de pression2 et 4 : orifices d’utilisation3 et 5 : orifice d’échappement14 : pilotage, fonction commande (mettant en communicationl’arrivée de pression (1) avec l’utilisation (4)).12 : pilotage, fonction rappel (mettant en communication l’arrivéede pression (1) avec l’utilisation (2)).

1

5 3

4 2

121414

VII. Commande des distributeurs

On indique les dispositifs de commande à l'aide de symbole normalisé

Si le distributeur possède une commande de chaque côté, il est dit bistable. C'est à dire qu'il faut faire une action àchaque fois que l'on veut changer d'état.Si le distributeur possède une seule commande d'un côté et un ressort de l'autre, il est dit monostable. C'est à dire qu'ilfaut faire une action pour changer d'état et cesser cette action pour revenir à l'état précédent.

VIII. Types de distributeurs et leur symbolisation

Schéma normalisé d'un distributeur :

Distributeur 4/2(4 orifices et 2 positions)

?

4 2

3 1Système de pilotage

?

Principaux distributeurs et principaux dispositifs de pilotageSymbole orifices positions symboles de pilotages

2/2Normalement

fermé 2 2

pneumatique

hydraulique

général

bouton

poussoirManuel

pédale

poussoir

ressort

galet

1 enroulement

Mécanique

Électrique

3/2 3 2

3/2 3 2

4/2 4 2

5/2 5 2

Rappel par ressort

FONCTION DISTRIBUER : PREACTIONNEUR PNEUMATIQUE

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VIII. ExercicesExercice 1 :Expliquer par une phrase concise la fonction d'un distributeur. Compléter la boite fonctionnelle ci-dessous..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Exercice 2 :1. Colorier sur la figures 2 en bleu foncé les espaces occupés par l’air comprimé et en bleu clair les espaces occupéspar l’air à pression atmosphérique.2. La tige du vérin sort-elle ou rentre-t-elle ?…………………………………………………………………………………………3. Dessiner la tige du vérin dans cette position.4. Tracer sur le distributeur 5/2 figure 3, en reliant les orifices concernés, le passage :

- de l’air comprimé en bleu foncé.- de l’air à pression atmosphérique en bleu clair

Vérin double effet

Distributeur

5/2

15 3

4 2

Exercice 3 :Donner les désignations des distributeurs suivants :

....................................................

............................................................................................................................................................

....................................................

....................................................

2

1313

2

1 35

24

Figure 1

Fonction du système :

……………………………

Matière d’ouvre entrante :

……………………………

Matière d’ouvre sortante :

……………………………

Système: …………………

Figure 2Figure 3

FONCTION DISTRIBUER : PREACTIONNEUR PNEUMATIQUE

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Exercice 4 :Préciser pour chacun des 3 distributeurs ci-dessus s’il est monostable ou bistable................................................... .................................................... ......................................................

Exercice 5:a) Représenter sur les deux figures ci-dessous le symbole d’un distributeur 5/2 bistable de façon à ce que :

- la tige du vérin soit sortie figure 1.- la tige du vérin soit rentrée figure 2.

b) Colorier :- en bleu foncé les canalisations d’air comprimé.- en bleu clair les canalisations à pression atmosphérique.- en rouge les fils électriques traversés par du courant après les avoir prolongés.

Figure 1 : tige sortie du vérin Figure 2 : tige rentrée du vérin

+ 24 Vcc

6 bars

1 35

24

+ 24 Vcc+ 24 Vcc

6 bars

1 35

24

+ 24 Vcc

FONCTION DISTRIBUER : PREACTIONNEUR PNEUMATIQUE

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I. PrésentationPuisque l'énergie souvent disponible est électrique et moins encore pneumatique, alors il faut convertir cette énergiedisponible en énergie mécanique ; d’où l’utilisation des actionneurs qui assurent cette fonction de conversion. Ontrouve :

Actionneurs électriques. Actionneurs pneumatiques

II. Actionneur électrique : Moteur électrique à courant continuII.1.Symbole

II.2. Modèle fonctionnel

CaractéristiquesMOE : Pa

U = tension en Volt (V)I = courant en Ampère (A)

CaractéristiquesMOS : Pu

Cu = Couple utile en Newton. Mètre (N.m)Ω =Vitesse angulaire en tours/seconde (tr/s)

CaractéristiquesMOE : Pa

Cu = Couple utile en Newton. Mètre (N.m)Ω =Vitesse angulaire en tours/seconde (tr/s)

CaractéristiquesMOS : Pu

U = tension en Volt (V)I = courant en Ampère (A)

II.3. Constituants électriques

InducteurSitué dans le stator (partie fixe), il crée le champ d’inductionmagnétique. Il peut être formé d’aimants en ferrite ou de bobinesparcourues par un courant continu.

AGIRSUR LA

MATIERED’OEUVRE

TRANSMETTRECONVERTIRDISTRIBUER

Ordres

Energiesd’entrée

Chaine d’énergie

Matièred’œuvreentrante

Matièred’œuvresortante

ALIMENTER

Énergiemécaniquede rotation

Énergieélectriqueutilisable

Convertir l’énergiemécanique en énergie

électrique

Génératrice électrique

Énergiemécaniquede rotation

Énergieélectriquedistribuée

Convertir l’énergieélectrique en énergie

mécanique de rotation

Moteur électrique

FONCTION CONVERTIR : ACTIONNEUR ELECTRIQUE

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InduitSolidaire du rotor (partie mobile ou tournante de la machine), il est lesiège des forces nécessaires à son entraînement. Il est composé despires placées dans des encoches situées à la périphérie d’unempilement de tôles cylindriques. Les extrémités des spires sontreliées sur les lames du collecteur

Collecteur et BalaisLe collecteur est un ensemble de lames de cuivre où sontreliées les extrémités du bobinage de l’induit.Les balais (ou charbons) sont situés au stator et frottent surle collecteur en rotation.Le dispositif collecteur / balais permet donc de fairecirculer un courant dans l’induit.

II.4. FonctionnementII.4.1. Force de Laplace (expérience des rails de Laplace)

Lorsqu’un conducteur, plongé dans un champ magnétique, esttraversé par un courant continu, ce conducteur se met en mouvementsous l’action d’une force dite force de Laplace telle que : Direction : perpendiculaire au plan formé par le conducteur et

le champ magnétique. Sens : donné par la règle des 3 doigts de la main droite. Intensité : F = B.I.L. (lorsque le champ est perpendiculaire au

conducteur)

B

F

I

E

II.4.2. Couple électromagnétique

Lorsqu’on alimente l’inducteur et l’induit par une source de tension continue, chacun des

conducteurs de l’induit est alors parcouru par un courant et, placé dans le champ magnétique

inducteur, est soumis à une force de Laplace telle que : F = B.I.l.

Les deux conducteurs sont soumis à un couple de force 21 FetF

.

On a donc C = 2.r.F = 2.r.B.I.l = S.B.I = Ф.I Dans le cas général (de nombreux conducteurs), la somme des moments des couples de forces

agissant sur l’ensemble des conducteurs est appelée le moment du couple

électromagnétique noté Cem. Cem = K.Ф. I avec :

K : constante du moteur qui ne dépend que de sa constitution (nombre total deconducteurs N)

Φ : flux créé par un pôle inducteur, en webers (Wb) I : intensité du courant dans chaque conducteur de l’induit, en ampères (A)

II.4.3. Force électromotrice d’induction

Loi de Lenz :Si on déplace un conducteur dans un champ magnétique, il apparaît aux bornesde ce conducteur une f.é.m. induite.loi : Tout phénomène induit s’oppose, par ses effets, à la cause qui lui a donnénaissance.Conformément à cette loi, la f.é.m. va s’opposer au déplacement du conducteuren générant une force induite de sens contraire. On en déduit le sens du courantinduit (règle des 3 doigts de la main droite) et ainsi le sens de la f.é.m.(convention générateur).

B

iF

Ii

V e

Sens du déplacement

FONCTION CONVERTIR : ACTIONNEUR ELECTRIQUE

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SI – Chaine d’éner

On montre que la f.é.m. induite totale E qui apparaît aux bornes de l’induit vaut :

II.5. Révers

Les machine si on alim si on faitOn dit que le

II.6. ModèleM

Inducte

Ie

Ue

Lorsque l’indconstitué decontinu Ie, apOn sait, de péquivalente à

avec Re : rUe : tIe : in

II.7. Bilan d

Relation corr

En multiplian

En résumé

FONCTION CONVERTIR : ACTIONNEUR ELECTRIQUE

gie – unité A.D.C

ibilité des machines à courant

s à courant continu peuvent fonctionnente l’induit, le rotor se met à tourntourner le rotor, l’induit génère une

s machines à C.C. sont réversibles

équivalent du moteur à couranodèle équivalent de l’inducteur

Modèle équivalent de l’indu

Re

ur

Ue

Ie

ucteur n’est pas à aimants permanenbobines en série traversées par un coupelé courant d’excitation.

lus, qu’en courant continu, une bobinsa résistance.

ésistance de l’inducteur ()ension d’alimentation de l’inducteurtensité du courant d’excitation (A)

es puissances

espondante : U = E + R

t par I, on obtient : U.I = E.I +

:

Pe=Ue .Ie

PP Pa

E = K.Φ.Ω

Ue = Re.Ie

Puissanceabsorbée

Puissanceélectroma

Avec : K : constante du moteur Ф : Flux utile sous un pôle (Wb)

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continu

er tant en moteur qu’en génératrice :er,f.é.m. E.

t continuModèle équivalent de l’induit

cteurModèle équivalent de l’induit

R

MU

Induit

I

R.IU

I

E

ts, il estrant

e est

(V)

L’induit, soumis à une tension U dite tension d’induit, estconstitué de conducteurs, de résistance R, traversés par uncourant continu I dit courant d’induit. Il génère une f.é.m.ou une f.c.é.m. suivant qu’il fonctionne en génératrice ouen moteur.Loi des mailles : U - R.I – E = 0 donc :

.I

R.I2

Pj= R.I2

Pcoll

....

Pu =Cu.Ω

Pje = Ue.Ie

Pem

U = E + R.I

: vitesse de rotation (rad/s)

gnétique

Pertes par effetJoule dans l’induit

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De plus, le rotor (matériau ferromagnétique) est enmouvement dans un champ magnétique, d’oùl’apparition de pertes magnétiques notée Pfer.D’autre part, le rotor en rotation sera le siège depertes mécaniques notées Pméca

Remarque :Toute la puissance absorbée par l’inducteur (Pe) estconvertie en pertes par effet Joule (Pje)

Notations :P : puissance absorbée par l’induit (électrique).Pe : puissance absorbée par l’inducteur (électrique).Pa : puissance totale absorbée par le moteur.Pem : puissance électromagnétique.Pje : pertes par effet Joule dans l’inducteur.Pj : pertes par effet Joule dans l’induit.Pcoll : pertes collectives (pertes magnétiques + pertes mécaniques).Pu : puissance utile fournie par le moteur (mécanique).Ce : moment du couple électromagnétique.Cu : moment du couple utile.Ω : vitesse de rotation.

II.8. Rendement :

Du fait de ces différentes pertes, le rendement d’une machine à courant continu varie entre 80 et 95 %.

Rendement = Puissance fournie (utile) / Puissance totale absorbée. = Pu / Pa

Pa = U.I + (puissance absorbée par l’inducteur)

Pu = Cu.Ω , d'où rendement

II.9. Comportement au démarrage

U = E + RI (équation toujours vraie)Au démarrage, la vitesse de rotation est nulle (n = 0) donc E = 0 . Le courant de démarrage vaut donc :

Id = U/R. et Cd = k'.Id = k'.U/R

Le courant peut-être très important au démarrage et détruire les contacts collecteur-balai : il faut donc limiter ce courantId : utilisation de démarreur, variateurs de vitesses.Le couple de démarrage est aussi très important et pas forcément toléré par les organes mécaniques ...

II.10. Exercices

Exercice 1 :La plaque signalétique d’un moteur à courant continu indique : Pu = 36,3 KW, n = 1150 tr/min,U = 440V et I = 68,5ACalculer le couple utile, la puissance absorbée, le rendement.

Exercice 2 :Un moteur, alimenté sous 300 V continu, a une f.é.m. E de 284 V en fonctionnement normal. La résistance de l'induitest Ri = 0,5 . Calculer:1/ La chute de tension Ui dans l'induit.2/ L'intensité Ia du courant absorbé.3/ L'intensité Id qui serait absorbée au démarrage si le moteur était dépourvu de rhéostat.4/ La résistance Rh du rhéostat de démarrage pour que l'intensité au démarrage soit limitée à 1,8 fois l'intensité en

charge nominale.

η = (Cu.Ω) / (UI + Pe) = (Pa - ∑pertes) / Pa

FONCTION CONVERTIR : ACTIONNEUR ELECTRIQUE

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I. Vérins pneumatiquesI.1. Définition

Les actionneurs pneumatiques les plus répandus sont les vérins pneumatiques linéaires. Ils transforment l’énergie

pneumatique (pression, débit) en énergie mécanique (effort, vitesse)

I.2. Modèles fonctionnels

CaractéristiquesMOE : Pa = p .Q

p = pression en Pascal (Pa)Q = débit en (m3/s)

CaractéristiquesMOS : Pu = V. F

V = vitesse déplacement tige en (m/s)F = poussée (effort) en Newton (N)

I.3. Constitution d’un vérin

Quel que soit le vérin, son type et sonconstructeur, il sera constitué desmêmes éléments. Le piston est solidairede la tige qui peut se déplacer àl’intérieur du corps. Le corps estdélimité par le nez et le fond danslesquels sont aménagés les orificesd’alimentation en air comprimé.Les espaces vides qui peuvent êtreremplis d’air comprimé s’appellent leschambres.

I.4. Principaux typesVérin simple effet Vérin double effet

Le vérin simple effet est un composant monostable(Stable dans une seule position).Ce type de vérin ne peut produire un effort significatif quedans un seul sens, le rappel de tige est assuré par un ressort.

Le vérin double effet est un composant bistable (Stabledans deux positions).Ce type de vérin peut produire un effort significatif dansles deux sens, le rappel de tige est obtenu par inversion del’alimentation des deux chambres.

I.5. Caractéristiques et effort axial exercé

Diamètre du piston

Diamètre de la tige

Pression d’alimentation (Pa ou bar avec 1 bar = 105

Pa)

I.5.1. Calcul de l’effort axial en sortie de tige

Énergiepneumatique

distribuée

Énergiemécanique

de translation

Transformer l’énergiepneumatique en

énergie mécanique detranslation

Vérin linéaire

FONCTION CONVERTIR : ACTIONNEUR PNEUMATIQUE

Surface d'action de l'airsur le piston en m²

Force exercéepar la tige enNewton (N)

Pression de l'aire àl'alimentation en Pascal (Pa)

F = p.S

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SI – Chaine d’énergie – unité A.D.C page 45/51

Lorsqu'on alimente la chambre avant, la surface d'action de l'air est plus faible que lorsqu'on alimente la chambre arrièredu fait de la présence de la tige. Pour une même pression d'alimentation, la tige exerce donc une force plus grande ensortant qu'en rentrantI.5.2. Effort développé

Pour la sortie de tige : Fsp = /4 x D2 x p Pour la rentrée de tige : Fst = /4 x (D - d)2 x p

I.6. Exemple d’utilisation des vérins

I.7. Vérins spéciaux

Vérincompact

Permet de développer des efforts importades courses faibles dans des applicationsaxial doit être le plus réduit possible. Pargrâce à sa compacité et son court temps dfonctions de serrage, blocage, éjection, inverrouillage de pièce dans toutes les appl

Vérinanti-rotation

Permet de translater entre deux positionsn'exige pas de guidage du type glissière,arrêté en rotation.Très utilisé dans les mouvements terminaproduit.Mouvement de montée baisse de pièce suPousseur de pièce dans les systèmes de trManipulation de produit léger

Vérin rotatif

Assure le plus généralement deux fonctioentraînement en rotation du mobile, d'oùdimensionner par rapport au mouvementangle, moment d'inertie) et aux efforts axappliqués sur l'arbre de sortie.Principalement utilisé pour des opérationlorsqu'il y a lieu d'orienter le produit

FONCTION CONVERTIR : ACTIONNEUR PNEUMATIQUE

Avec :D: diamètre de piston (cm).d: diamètre de la tige (cm).p: pression d'alimentation (bar).Fsp: effort statique développé en poussant (daN).

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nts suroù l'encombrementticulièrement adapté,e réponse, auxdexage, élévation etications industrielles

fixes un produit quimais nécessite d'être

ux de manipulation de

spendue.ansitique.

ns: guidage etl'importance de leà développer (couple,iaux et radiaux

s de manipulation

Fst :effort statique développé en tirant (daN).

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Vérinsans tige

Permet de mouvoir en translation, avec une grande amplitude,un mobile guidé entre deux positions précises de fin de course.Très utilisé dans les tâches de manipulation, manutention,transitique et palettisation, en raison de son faibleencombrement en longueur et de ses sections de pistonidentiques

II. Générateur de vide ou "Venturi"

Le générateur de vide a pour fonction de transformer la pression de l'air comprimé en une pression inférieure à la pressionatmosphérique.Un tuyau branché sur la prise de vide transmet cette dépression à l'effecteur (les ventouses).Cette dépression permet aux ventouses de saisir les objets à déplacer en les aspirants. Les ventouses plaquent ainsi les

objets contre elles

II.1. Fonctionnement

L’air comprimé, en passant rapidement dans le venturi,provoque à cet endroit une dépression et entraîne aveclui l'air présent dans le conduit perpendiculaire. D'oùl'aspiration disponible au niveau de la ventouse.

III. Moteurs

Un moteur rotatif alimenté en air comprimé produit un mouvement de rotation dans un ou deux sens, à des fréquencespouvant atteindre 30 000 tr/min et des puissances de 10 kW. Il en existe plusieurs types: à piston, à engrenage, à turbine.La technologie à palettes est la plus utilisée, en raison de ses nombreuses qualités.

Son principe de fonctionnement est le suivant :l'air comprimé pénètre dans le moteur par l'orifice Pet arrive dans une chambre d'admission, où il exerceune force motrice sur la palette la plus proéminente.Ainsi, le rotor tourne et l'air se détend.

Dans le deuxième secteur du moteur, l'air deschambres à l'échappement se vide par l'orifice E.

Chambre àl’échappement

PaletteRotor

Chambre à l’admission

Admission P Echappement E

IV. ExercicesExercice 11. Parmi les caractéristiques citées, laquelle ne caractérise pas un vérin ?

la pression de l’air la course le débit d’air le diamètre2. Pour commander un vérin double effet quel type de distributeur utilise-t-on ?

3/2 4/2 5/2 5/3

Exercice 2L’effort de serrage que doit exercer le vérin de bridage estde 6500 N. Si le diamètre d’alésage D est de 125 mm,déterminer la pression théorique nécessaire. .

Exercice 3Calculer les efforts théoriquement développables, en poussant et en tirant, d’un vérin (D = 100 mm et d = 25 mm) si lapression d’utilisation est de 500 kPa (5 bars).

FONCTION CONVERTIR : ACTIONNEUR PNEUMATIQUE

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I. Conversion énergie électrique en énergie lumineuseCette conversion consiste en une transformation de l’énergie électrique en rayonnement lumineux. Si l’on ne s’en tientqu’à l’éclairage nous avons 2 grandes familles qui regroupent plusieurs catégories.

Familles Catégorie

Lampes à incandescenceLa lampe standardLa lampe à iode (halogène)

Lampes à décharge

Lampe fluorescenteLampe Fluo compacteLampe à vapeur de mercureLampe à iodure métalliqueLampe à vapeur de sodium : - Basse pression

- Haute pressionI.1. La lampe à incandescenceI.1.1. La lampe à incandescence standardPrincipe :Un filament conducteur est chauffé à blanc par un courant électrique, sous vide, dans uneampoule de verre. L’énergie électrique est transformée en énergie calorifique ; du fait de lahaute température, il y a production d’énergie lumineuse.

Constitution :Une lampe à incandescence est constituée essentiellement d’un filament en tungstène, portéà une température très élevée, de 2400°C. Le tungstène est choisi pour sa température defusion élevée : 3655°C.

Pour éviter que le filament se consume, on place celui-ci à l’abri de l’oxygène de l’air dansune ampoule contenant un gaz inerte (argon-azote ou krypton-azote).

L’ampoule de verre qui contient les gaz neutres est claire, dépolie ou opalisée selon la qualitéde diffusion de lumière désirée.

Forme des ampoules

Lampe Standard Belle Lampe Flamme Lampe Sphérique Lampe Tube Lampe Tube Linolite

Les caractéristiques des lampesLe culot permet de fixer la lampe au support et d’assurer l’alimentation électrique. Il existe 2 familles : Les Culots àVis : E ; Les culots à Baïonnette.

Culot à Baïonnette: B Culot à Vis : E

Avantage :Montage et Démontage rapide.Inconvénients :Fixation Mécanique peu sûre et Ilimitée.

Bonne fixation mécanique, Gammedes choix de puissances plusélevées.

Avantages / InconvénientsAvantages Inconvénients

Lumière agréable. Peu encombrante. Montage facile. Allumage instantané. Prix d’achat faible.

Efficacité lumineuse faible : 12 lm/W. Durée de vie assez courte : 1000 heures. Pertes d’énergie sous forme calorifique relativement

importante pour les grandes puissances.

FONCTION CONVERTIR : AUTRES TYPES DE CONVERSION

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I.1.2 Les lampes à iodes (halogène).Les performances des lampes à incandescence standard sont nettement améliorées par un mélange gazeux aux halogènesdans une ampoule en quartz. Dans une certaine plage un cycle tungstène - halogène permet de restituer au filament unegrande partie du tungstène évaporé. Ce phénomène, appelé cycle de l’halogène, se reproduit en permanence, il éviteainsi tout noircissement de l’ampoule, il augmente la longévité du filament.Forme des ampoules :

I.1.3. Les lampes à déchargeOn distingue deux grands modes de fonctionnement des lampes à décharge :

à cathode froide : tubes luminescents (enseignes lumineuses), lampes néon (voyant, veilleuses) à cathode chaude : tube fluorescent, lampes à vapeur de mercure, lampes à vapeur de sodium haute et basse

pression, lampes aux iodures métalliques.Remarque : toute lampe à décharge nécessite un appareillage auxiliaire : il faut limiter le courant qui traversela lampe (ballast) et créer une surtension (ballast + starter)I.2. Les lampes fluorescentesPrincipe de fonctionnement :C’est une lampe à décharge constituée d’un tube dont la paroi interne est recouverte d’une mince couche de poudrefluorescente.Le tube est muni d’une électrode à chaque extrémité et contient une faible quantité de mercure dans un gaz rare.Le principe de base est le suivant: un tube à vapeur de mercure soumis à une différence de potentiel, produit desradiations ultraviolettes invisibles qui sont transformées en lumière visible par la poudre photoluminescence.Eléments constitutifs :

1

2 34

5

Ph N

Les cathodes sontconstituées d’un fil detungstène tri spiralé etenduites de substancealcalino-terreuse quifavorise l’émission desélectrons.

Lescondensateurspermettent

d’améliorer lefacteur depuissance

Le Ballast estune bobine quipermet de créerune surtensionnécessaire àl’amorçage

Le starter de parson ouvertureprovoque lasurtension auxbornes du ballast

Le tube fluorescent contient de l’argon qui s’ionise trèsrapidement, s’échauffe instantanément et provoque lavaporisation de mercure. Le revêtement interne du tubeest un mélange de sels minéraux fluorescents, sous formede cristaux de quelques microns. La température decouleur de la lumière émise dépend de la composition dela poudre fluorescente

FONCTION CONVERTIR : AUTRES TYPES DE CONVERSION

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Avantages Inconvénients

Durée de vie de l’ordre de 7000 heures. Faible consommation d’énergie Permet de réaliser des éclairements élevés Efficacité lumineuse : 25 à 75 lm/W

Un équipement d’amorçage et d’alimentation spécialest nécessaire

Prix de l’installation initiale plus élevé qu’enincandescence

I.3. Les lampes fluo compactes

Ces lampes ont été créées au départ pour remplacer la lampe à incandescence il existe deux familles : une famille munie d’un ballast intégré dans le culot, soit à baïonnette soit à vis, pouvant être mise en place

directement à la place des lampes à incandescence standard. une autre famille dont le ballast est associé indépendamment de la lampe; celles-ci ne peuvent donc pas se brancher

sur un luminaire déjà existant sans l’interposition d’un ballast dans le circuit.Forme des ampoules :

I.4. Les lampes à vapeur de mercure

Cette lampe est constitué d’un tube en quartz contenant du mercure est placé à l’intérieur d’une ampoule en verre dontles parois sont recouvertes d’une poudre fluorescente. L’atmosphère à l’intérieur est un gaz neutre. Elles nécessitent unappareillage spécial.

Caractéristiques :

La durée de mise en régime est de 10 minutes pour80% du flux nominal.

Le temps de mise en régime est de 3 à 5 minutes. La température de couleur varie de 3900 à 4300°K et

l’indice de rendu de couleur de 33 à 49. Utilisation : Ateliers, halls, jardins, stations-services

I.5. Les lampes à vapeur de sodium à basse pression

Cette lampe à décharge est composée d’un tube en U dans lequel se trouvent dusodium à basse pression avec du néon pour faciliter le démarrage.La lumière émise est de couleur jaune orangée.L’efficacité lumineuse de ces lampes est très élevée, jusqu’à 210lm/WLa durée de mise en régime est de 5 à 10 minutes.Utilisation : l’éclairage routier, domaine dans lequel leur efficacité très élevé estun avantage considérable.

I.6. Les lampes à vapeur de sodium à haute pression

Le tube est en céramique translucide, le verre et le quartz ne pouvant pas résister à la forte corrosion de la vapeur desodium portée dans ces lampes à plus de 1000°C.La lumière n’est pas monochromatique car d’autres raies, de longueurs d’onde différentes, du sodium sont émises.Elle se rapproche d’une lumière très chaude.

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L’intensité du courant d’amorçage est supérieure de 50% au courant de marche. Le temps de mise en régime est de 10minutes.La gamme de puissance est étendue, de 50W à 1kW.Leurs efficacités lumineuses vont de 68 à 140 lm/W.Ces lampes sont principalement utilisées pour éclairer les parcs de stockage, tunnels souterrains, piscines,gymnases,...

II. Conversion énergie électrique en énergie thermiqueII.1. Principe

Cette conversion, appelée aussi chauffage, consiste en une transformation de l’énergie électrique en chaleur.Elle est facilement sans combustion, sans fumée ; sa régulation en température est souple et précise.

II.2. Rappels d'électrotechnique

La conversion de l'énergie électrique s'effectue, par effet Joule, dans unerésistance traversée par un courant électrique

UI

W

R t

W = U I t

W = R I² t

Avec :- W : énergie [J]- U : Tension [V]- I : Courant [A]- t : Temps de passage du

courant [s]- R : résistance []

II.2.1. Grandeurs en énergie thermiqueLa correspondance entre l'énergie électrique en joule et l'énergie thermique est donnée par la relation :

La calorie représente la quantité de

Multiples:

II.2.2. Résistance électriqueC'est dans la résistance électrique qrésistance s'effectue, en général, à pA partir des relations :

P = U IP : Puissance dissipée [W]

II.3. Matériaux résistants.

Le matériau résistant est l'organe acLes matériaux utilisés doivent avoi une résistivité plus élevée que un coefficient de température une température de fusion élev une inoxydabilité à haute temp

0,14- 0,16-0,18- 0,20- 0,224- 0,20,900 - 1,00 - 1,12 -1,25- 1,40-1

1 calorie = 1 mic

FONCTION CONVERTIR : AUTRES TYPES DE CONVERSION

chaleur nécessaire pour élever de 1°C la température de 1 g d'eau

Autres unités:

1 calorie [cal] = 4,186 joules [J]

Le kilowattheure 1 kWh = 103 Wh

1 kilocalorie [kcal] = 103 calories1 thermie [th] = 106 calories

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ue s'effectue la transformation de l'énergiartir de la puissance à obtenir et de la ten

U = R I

On a donc : R =P

U² R =

tif qui transforme le courant électrique enr :les conducteurs ;

assez faible ;ée ;érature

Diamètre des fils normalisés

50- 0,280- 0,315- 0,355- 0,400 - 0,45,60- 1,80- 2,00- 2,24- 2,50- 2,80- 3,15

rothermie [µth]

Le wattheure 1 Wh = 3600 J

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e électrique en chaleur. Le calcul de lasion du réseau.

s

L : longueur du fil [m]S : section du fil [m²] : résistivité du fil [m]

ou [.mm².m-1]

chaleur.

0 - 0,500 - 0,560 - 0,630 - 0,710 - 0,800 -- 3,55- 4,00.

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Alliage pour résistances électriques

Marques Composition

type

Caractéristiques typesObservations et

principaux emploisRésistivitéμΩ-cm à 15°C

Températurelimite d’emploi

(°C)

Coefficient dethermo-résistivité

x 10-3

Superimphy Ni 80 - Cr 20 109 1 200 0,015Fours de traitement - Chauffage aux

températures élevées - Appareils ménagers –Résistances de mesure - Radiateurs lumineux

CarbimphyNi 45 - Cr 25

Fe solde112 1 150 0,12

Fours de traitement (résistances spécialementétudiées pour les atmosphères réductrices,carburantes ou faiblement sulfureuses) -Shunts Radiateurs- Bougies d'allumage

RNC. 1Ni 30 - Cr 20

Fe solde104 1 100 0,27 Chauffage à température moyenne

RNC. 0Ni 12 - Cr 12

Fe solde74 600 0,8 Rhéostats de démarrage

III. Conversion énergie électrique en énergie chimiqueIII.1. Définition et principe

Cette conversion, appelée aussi électrolyse, est un processus d'échange au cours duquel l'énergieélectrique est transformée en énergie chimique. La réaction a lieu dans une solution :l'électrolyte.Les ions doivent pouvoir circuler librement dans l'électrolyte pour passer d'une électrode àl'autre. Les deux électrodes sont reliées par l'électrolyte et par un générateur de courantélectrique.

III.2. ApplicationsUne application très courante de l’électrolyse est la recharge de l’accumulateur.Un accumulateur est capable de fonctionner en pile (décharge) ou en électrolyseur (charge). Dans un accumulateur, lesréactions aux électrodes sont inversables : les réactions traduisant la charge et la décharge sont inverses l’une de l’autre.Lors de certaines électrolyses, un dépôt métallique peut se former sur une électrode. Ce phénomène est utilisé dansl’industrie pour : la purification de métaux (l’électroraffinage du cuivre), le revêtement métallique d’objets pour lesprotéger de la corrosion ou les décorer (la galvanostégie), la reproduction d’objets comme les CD (La galvanoplastie)…

IV. ExercicesExercice 1Compléter le texte ci-dessous par les mots suivants : interne – fluorescence – vapeur de mercure – lumière.Dans une lampe à fluorescence la décharge électrique dans la.......................................à basse pression créeune..........................qui excite la.................................des matières qui tapissent les parois.......................... du tube.

Exercice 2Sachant que le coefficient d'efficacité lumineuse d'une source est donné par la relation : fe = Φ / PIl s'exprime en lm/W. Avec P: puissance de la source en Watt et Φ: flux lumineux en lumen. Une lampe porte les indications suivantes : 75 W - 220 V - 970 lumens. Calculer son coefficient d'efficacité lumineuse.Exercice 3Une plaque électrique de diamètre 145 mm possède deux résistances de 250 W et une résistance de 500 W. Calculer lapuissance la plus faible et la puissance la plus élevée dans le cas d'un commutateur à six positions (tension du secteur220 V).Exercice 4Donner le schéma électrique d’un montage de tubefluorescent avec allumage par starter

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