[Cours] Capteurs Et Actionneurs en Instrumentation

Institut Suprieur des Etudes Technologiques de Kasserine

Dpartement de Gnie Electrique

Support de cours

Unit denseignement

Instrumentation industrielle 2 Code UE : 3.4

Elment constitutif

CCaapptteeuurrss eett aaccttiioonnnneeuurrss Code ECUE : 3.4.1

Deuxime anne de la licence applique en gnie lectrique

Notes de cours de

Anne universitaire 2009 - 2010

RRiiaaddhh BBEENN JJEEDDDDOOUU Technologue

ISET Kasserine

LLoottffii MMAABBRROOUUKKII Technologue

ISET Kasserine

Partie 1

CCCHHHAAAPPPIIITTTRRREEE 111 ::: GGGEEENNNEEERRRAAALLLIIITTTEEESSS SSSUUURRR LLLEEESSS CCCAAAPPPTTTEEEUUURRRSSS .........................3.

1. DEFINITION .......................................................................................................................... 3

2. NATURE DE L'INFOR MATION FOURNIE PAR UN CAPTEUR ......................................................................... 3

3. CARATERISTIQUES D UN CAPTEUR .................................................................................................. 4

4. CAPTEURS LOGIQUES (TOUT OU RIEN : TOR) ...................................................................................... 4

5. CAPTEURS NUMERIQU ES .............................................................................................................. 8

CCCHHHAAAPPPIIITTTRRREEE 222::: LLLEEESSS DDDIIIFFFFFFEEERRREEENNNTTTEEESSS FFFAAAMMMIIILLLLLLEEESSS DDDEEE CCCAAAPPPTTTEEEUUURRRSSS ...........11

1. CLASSIFICATION DES CAPTEURS ................................................................................................... 11

2. CAPTEURS A EFFET PIEZOELECTRIQUE ............................................................................................ 12

3. CAPTEUR A EFFET HALL ............................................................................................................. 13

4. CAPTEURS A EFFET PHOTOELECTRIQUE ...........................................................................................14

5. CAPTEURS A RESISTANCE VARIABLE PAR DEFORMATION........................................................................ 16

6. CAPTEURS DE TEMPERATURE....................................................................................................... 18

2

GENERALITES SUR LES CAPTEURS CHAPITRE 1 1. DEFINITION :

Un capteur est un composant technique qui dtecte un vnement physique se rapportant au

fonctionnement du systme (prsence d'une pice, temprature, etc.) et traduit cet vnement en un signal exploitable par la PC de ce systme. Ce signal est gnralement lectrique sous forme d'un signal basse tension. La figure 1 illustre le rle dun capteur :

Fig. 1 : Rle gnral dun capteur

Grandeur physique

(Etat de la PO)

DETECTER UN EVENEMENT

Signal lectrique

(Exploitable par la PC)

L'information dtecte par un capteur peut tre d'une grande varit, ce qui implique une grande

varit de besoins en capteurs. On cite parmi les plus connus et frquents, les capteurs de position, de

prsence, de vitesse, de temprature et de niveau.

2. NATURE DE L'INFORMATION FOURNIE PAR UN CAPTEUR :

Suivant son type, Linformation quun capteur fournit la PC peut tre : Fig. 2 : Exemple dun capteur TOR

Signal logique Logique : Linformation ne peut prendre

que les valeurs 1 ou 0 ; on parle alors dun capteur Tout ou Rien (TOR). La figure 2 montre la caractristique dun capteur de position :

1 (24V)

0 (0V)

Prsence de la pice

Absence de la pice

Temps

Analogique : Linformation peut prendre Fig. 3 : Exemple dun capteur analogique

toutes les valeurs possibles entre 2 certaines valeurs limites ; on parle alors dun capteur analogique. La figure 3 montre la caractristique dun capteur de temprature :

Tension (V)

5

100

La tension varie de faon

continue entre 0 et 5V

Temprature (C)

Numrique : Linformation fournie par le capteur permet la PC den dduire un nombre binaire sur n bits ; on parle alors dun capteur numrique. La figure 4 illustre le principe de fonctionnement de la souris :

Fig. 4 : Exemple de capteur numrique

La souris fournit un ordinateur un signal logique priodique, sous forme dimpulsions, qui lui permettent de compter ces impulsions pour en dduire les cordonnes X et Y de la souris

sous forme de nombres NX et NY.

C h a p i t r e 1 Gnralits sur les capteurs 3

3. CARATERISTIQUES DUN CAPTEUR :

Certains paramtres sont communs tous les capteurs. Ils caractrisent les contraintes de mise en uvre et permettent le choix dun capteur :

L'tendue de la mesure : c'est la diffrence entre le plus petit signal dtect et le plus grand perceptible sans risque de destruction pour le capteur.

La sensibilit : ce paramtre caractrise la capacit du capteur dtecter la plus petite variation

de la grandeur mesurer. Cest le rapport entre la variation V du signal lectrique de sortie pour une variation donne de la grandeur physique

dentre : S = V /

La fidlit : Un capteur est dit fidle si le signal quil dlivre en sortie ne varie pas dans le temps

pour une srie de mesures concernant la mme valeur de la grandeur physique dentre. Il caractrise lInfluence du vieillissement.

Le temps de rponse : c'est le temps de raction d'un capteur entre la variation de la grandeur physique qu'il mesure et l'instant o l'information est prise en compte par la partie commande.

4. CAPTEURS LOGIQUES (Tout Ou Rien : TOR) :

Les capteurs TOR fournissent une information logique, gnralement sous forme d'un contact lectrique qui se ferme ou s'ouvre suivant l'tat du capteur.

4.1- Capteurs avec contact :

Ce type de capteur est constitu d'un contact lectrique qui s'ouvre ou se ferme lorsque l'objet dtecter actionne par contact un lment mobile du capteur (dispositif d'attaque). les gammes de ce type de capteur sont trs varies ; elles sont fonction des problmes poss par leur utilisation.

Ainsi, la tte de commande et le dispositif d'attaque sont dtermins partir de :

La forme de l'objet : came 30, face plane ou forme quelconque ;

La trajectoire de lobjet : frontale, latrale ou multidirectionnelle ; La prcision de guidage.

Les figures suivantes montrent des exemples de capteur de position :

Fig. 5 : Capteur rectiligne poussoir

Caractristiques :

Commande directe

Prsence de l'objet en but mcanique

Fig. 6 : Capteur rectiligne poussoir galet thermoplastique

Caractristiques :

Trajectoire rectiligne de l'objet dtecter

Guidage prcis < 1mm

Came 30

4 Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

Fig. 7 : Capteur angulaire levier galet

Caractristiques :

Guidage peu prcis ~ 5mm

Came 30

Fig. 8 : Capteur tige souple ressort

Caractristiques :

Cible de forme quelconque

Trajectoire multidirectionnelle

Guidage > 10 mm

4.2- Capteurs sans contact :

Les capteurs sans contact ou de proximit dtectent distance et sans contact avec lobjet dont ils contrlent la position. Un contact lectrique s'ouvre alors ou se ferme en fonction de la prsence ou du non prsence dun objet dans la zone sensible du capteur.

A l'inverse des capteurs avec contacts, les capteurs de proximit sont des dtecteurs statiques (pas de pice mobile) dont la dure de vie est indpendante du nombre de manuvres. Ils ont aussi une trs bonne tenue l'environnement industriel (atmosphre polluante).

Le choix dun dtecteur de proximit dpend : de la nature du matriau constituant lobjet dtecter,

de la distance de lobjet dtecter, des dimensions de lemplacement disponible pour implanter le dtecteur.

4.2.1- Capteurs inductifs :

La technologie des dtecteurs de proximit inductifs est base sur la variation dun champ magntique lapproche dun objet conducteur du courant lectrique. Leur usage est uniquement rserv la dtection dlments mtalliques dans les secteurs de la machine-outil, l'agro- alimentaire, la robotique, et les applications de l'usinage, la manutention, l'assemblage, le convoyage.

Fig. 9 : Dtecteur de proximit inductif

Caractristiques :

Porte nominale qui dfinit la zone de dtection. Elle dpend de l'paisseur de l'objet et peut aller jusqu' 50mm.

Tension d'alimentation de 12V 48V continu

et de 24 240V alternatif.

Technique de raccordement 2 fils et 3 fils.


Les dtecteurs inductifs existent suivant diffrents modles ; ceci en fonction de leur mode de

raccordement comme cest illustr la figure 10 :

2 fils avec courant continu ou alternatif ;

3 fils avec courant continu type PNP ou NPN, en fonction de llectronique interne.

Fig. 10 : Technique de raccordement des capteurs inductifs et capacitifs

BN

BU

BN

PNP BK

+ BN + NPN BK

BU BU

2 fils AC/DC 3 fils type PNP 3 fils type NPN

4.2.2- Capteurs capacitifs :

La technologie des dtecteurs de proximit capacitifs est base sur la variation dun champ lectrique lapproche dun objet quelconque. Ils permettent de dtecter tout type d'objet dans les domaines de l'agro-alimentaire, de la chimie, de la transformation des matires plastiques, du bois et des matriaux de construction.

Fig. 11 : Dtecteur de proximit capacitif

Caractristiques :

Porte nominale qui dfinit la zone de dtection. Elle

dpend de l'paisseur de l'objet et peut aller jusqu' 50mm.

Tension d'alimentation de 12V 48V continu et de 24 240V alternatif.

Technique de raccordement 2 fils et 3 fils.

4.2.3- Capteurs magntiques :

Un interrupteur lame souple (I.L.S.) est constitu d'un botier l'intrieur duquel est plac un contact lectrique mtallique souple sensible aux champs magntiques. Il permet de dtecter tous les matriaux magntiques dans le domaine de la domotique pour la dtection de fermeture de portes et fentres et le domaine pneumatique pour la dtection de la position d'un vrin, etc.

Fig. 12 : Principe de fonctionnement dun ILS

Prsence dun champ magntique : Contact ferm

Absence de champ magntique :

Contact ouvert

Aimant

Permanent

4.3- Capteurs Photolectriques distance :

Les cellules photolectriques permettent de dtecter sans contact tous les matriaux opaques (non transparents), conducteurs dlectricit ou non. Ce type de capteurs se compose essentiellement d'un metteur de lumire associ un rcepteur photosensible. La figure 13 montre une illustration de quelques capteurs photolectriques :


Fig. 13 : Exemple de capteurs photolectriques

Ces dtecteurs sont utiliss dans les domaines industriels et tertiaires les plus divers comme :

La dtection d'objets et de produits dans la manutention et le convoyage ;

La dtection de pices machine dans les secteurs de la robotique et du btiment ;

La dtection de personnes, de vhicules ou d'animaux, etc.

Pour raliser la dtection d'objets dans les diffrentes applications, 3 techniques de montages sont

possibles:

Systme barrage (figure 14) caractris par :

L'metteur et le rcepteur sont situs dans deux botiers spars ; La porte la plus longue pour ce type de capteur (jusqu 30 m) ; Le faisceau est mis en infrarouge ; La dtection des objets opaques ou rflchissant quelque soit le matriau ; Lalignement entre metteur et rcepteur doit tre ralis avec soin.

Systme reflex (figure 15) caractris par :

L'metteur et le rcepteur sont situs dans le mme botier ; Utilisation d'un rflecteur qui renvoie le faisceau lumineux en cas d'absence de cible ; La porte peut atteindre jusqu 15 m ; Le faisceau est mis en infrarouge ; La dtection des objets opaques et non rflchissant quelque soit le matriau ;

Systme proximit (figure 16) caractris par :

L'metteur et le rcepteur sont situs dans le mme botier ; La prsence de la cible renvoie le faisceau lumineux vers le capteur ; La porte dpend de la couleur de la cible, de son pouvoir rflchissant et de ses

dimensions. Elle augmente si l'objet est de couleur claire ou de grande dimension.

Fig. 15 : Montage type " Reflex " Fig. 14 : Montage type " Barrage "

Emetteur

Rcepteur

Cible

Cible

Emetteur Rcepteur

Rflecteur

Rflecteur Fig. 16 : Montage type " Proximit "

Emetteur Rcepteur Cible


5. CAPTEURS NUMERIQUES :

5.1- Codeur optique incrmental :

Un disque rotatif comporte au maximum 3 pistes. La piste priphrique A du disque est divise en "n" fentes rgulirement rparties. Ainsi, pour un tour complet de l'axe du codeur, le faisceau lumineux est interrompu n fois et dlivre la sortie de la cellule photosensible "n" signaux carrs. La figure 18 dcrit un capteur incrmental :

Fig. 18 : Codeur optique incrmental

Unit de

Traitement

Cellules

Photosensibles

LED

Arbre

Disque

optique

Pour connatre le sens de rotation du codeur, on utilise une deuxime piste B qui sera dcale par

rapport la premire de 90 (1/4 de tour).

5.2- Codeur optique absolu :

Les codeurs absolus sont destins des applications de contrle de dplacement et de positionnement dun mobile par codage. Le disque du codeur comporte plusieurs pistes (jusqu 20). Chaque piste est alternativement opaque et transparente et possde son propre systme de lecture (diode mettrice et diode rceptrice).

A chaque position angulaire de l'axe du codeur correspond un nombre binaire cod en GRAY Dans ce code, il n'y a qu'un seul bit qui change chaque fois pour viter les alas de fonctionnement. Avant toute utilisation, le mot fourni par le codeur doit donc tre transcod en binaire, car l'unit de traitement travaille en binaire pur.

A titre pdagogique, voyons la figure 19 les diffrentes combinaisons d'un codeur optique absolu binaire sur 3 bits:

Fig. 19 : Codeur optique absolu binaire 3 bits


DW DE

E X E R C I C E R E S O L U

Le montage ci-contre permet de protger un moteur courant continu, fonctionnant avec 2 sens. La protection est contre les positions limites o le moteur peut tre cal ; dans ce cas le couple augmente, ainsi le courant dans le moteur, ce qui peut dtriorer le moteur. C'est le cas du moteur de la position d'antenne parabolique. La tension E est soit positive, soit ngative, suivant la commande qui n'est pas reprsente ici, ainsi que le systme came qui permet d'actionner les "fins de course" (fcw et fce). Analyser le fonctionnement d'un tel montage. Les fins de course sont fermes au repos.

CORRIGE :

DW DE

M E

fcw fce

Au repos, on suppose le moteur dans une position o ni fcw ni fce n'est actionn. Quand le moteur tourne vers "West" et arrive la position limite "West" fcw s'ouvre et le

moteur s'arrte. Pour tourner vers "East", Il faut alors inverser le sens. En inversant le sens, la diode DW joue le rle fcw pour un court instant, aprs quoi fcw

se ferme (voir figure ci -dessous gauche). En tournant vers "East" et arrivant la position limite "East", fce s'ouvre et le moteur

s'arrte. Pour tourner vers "West", Il faut alors inverser le sens. Et ainsi de suite (voir figure ci-dessous droite).

DW DE

M

E fcw fce

M E

fcw fce

E X E R C I C E S N O N R E S O L U S

Les asservissements numriques, sont abondants dans le domaine industriel. On s'intresse dans cette

tude l'asservissement de position. La structure du systme est donne la figure ci-dessous. Sa description est comme suit :

Un curseur se dplace linairement grce un systme vis-crou ;

Le systme vis-crou est entran en rotation par un moteur courant continu ;

La position du curseur est capte par un codeur incrmental solidaire laxe du moteur ; La commande permet de comparer la position capte et la position de consigne ; si les 2

positions sont gales, on arrte le moteur.

0 20 40 60 80

Curseur

100 120 140 160

Moteur

C.C.

fcg

Vis-crou

fcd

Codeur incrmental

Commande Unit de commande

Position

Consigne fcg : capteur de fin de course gauche

fcd : capteur de fin de course droite


10

22

.5 2

2 .5

1- ETUDE DU CODEUR INCREMENTAL :

Comme le montre la figure ci-contre, la capture de la position se fait l'aide d'un codeur incrmental constitu de :

Un disque contenant deux pistes A et B

dcales et divises chacune, en 16 secteurs quidistants et alternativement opaques et transparents ;

Pas

22.5

Emetteurs

Disque

Piste B

Piste A

Rcepteurs

Deux lments optolectroniques (une diode

infrarouge et une photodiode) disposs de part et dautre de chaque piste.

1.1- Calculer la sensibilit de ce capteur et

EncA

Codeur incrmental

5V

photodiode

5V

Diode infrarouge

prciser son unit.

1.2- Calculer le dplacement minimal du curseur

dtect par ce capteur sachant que le pas

4093 C R R2 R1

5V 5V

de la vis est de 5 mm.

1.3- Quel est le rle:

EncB

photodiode Diode infrarouge

a/ Du circuit RC ? b/ De la porte inverseuse de type "Trigger" ?

4093 C R R2 R1

39K

1.4- La photodiode est caractrise par un courant ID = 100 A en clairage et un courant ID = 100 nA

en obscurit. Sachant que VIH min = 3,5 V et VIL max = 1.5 V pour une porte CMOS avec Vcc = 5 V, vrifier le bon choix de R2.

1.5- On suppose que le disque a subi une rotation d'un demi-tour dans un sens et d'un demi-tour dans le sens contraire, une vitesse constante. Complter les chronogrammes des signaux EncA et EncB correspondants ce mouvement sachant qu'ils dbutent comme le montre la figure ci-contre.

1.6- Le principe de la dtermination de la position du

EncA

EncB

curseur consiste, en l'accumulation des impulsions

fournies par une piste, l'aide d'un EncB D Q Up/Down

compteur/dcompteur selon le montage de la figure N EncA Ck ci-contre. Le compteur est incrment ou dcrment suivant le sens de rotation donn par l'tat du signal EncB chaque transition positive du signal EncA.

a/ Que reprsente alors le signal Q ?

Ck

Compteur/Dcompteur (Position)

b/ Combien de tours fera le disque, pour que le curseur parcourra la course maximale de la vis, qui

est de 160 mm ? c/ En dduire le nombre de bits ncessaire pour reprsenter la position.

1.7- Proposer un montage pour l'unit de traitement de ce

systme sachant qu'on peut utiliser un des signaux (EncA , EncB) comme signal d'horloge et l'autre comme

signal (Comptage/dcomptage). Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

8

LES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS CHAPITRE 2

1. GENERALITES:

Si l'on s'intresse aux phnomnes physiques mis en jeux dans les capteurs, on peut classer ces derniers

en deux catgories.

Capteurs actifs

Capteurs passifs

1.1- Capteurs actifs :

Fonctionnant en gnrateur, un capteur actif est gnralement fond dans son principe sur effet

physique qui assure la conversion en nergie lectrique de la forme d'nergie la grandeur physique

prlever, nergie thermique, mcanique ou de rayonnement.

Les effets physiques les plus rencontrs en instrumentation sont :

Effet thermolectrique : Un circuit form de deux conducteurs de nature chimique diffrente, dont

les jonctions sont des tempratures T1 et T2, est le sige d'une force lectromotrice d'origine

thermique e(T1,T2).

Effet pizo-lectrique : L'application d'une contrainte mcanique certains matriaux dits pizo-

lectriques (le quartz par exemple) entrane l'apparition d'une dformation et d'une mme charge

lectrique de signe diffrent sur les faces opposes.

Effet d'induction lectromagntique : La variation du flux d'induction magntique dans un circuit

lectrique induit une tension lectrique (dtection de passage d'un objet mtallique).

Effet photo-lectrique : La libration de charges lectriques dans la matire sous l'influence d'un

rayonnement lumineux ou plus gnralement d'une onde lectromagntique.

Effet Hall : Un champ magntique B et un courant lectrique I crent dans le matriau une

diffrence de potentiel UH.

Effet photovoltaque : Des lectrons et des trous sont librs au voisinage d'une jonction PN

illumine, leur dplacement modifie la tension ses bornes.

1-2- Capteurs passifs :

Il s'agit gnralement d'impdance dont l'un des paramtres dterminants est sensible la grandeur

mesure. La variation d'impdance rsulte :

Chapitre 2 Les diffrents types de capteurs

Grandeur physique

mesure Effet utilis Grandeur de

sortie

Temprature

Thermolectricit

Tension

Flux de rayonnement

optique

Photomission Courant

Effet photovoltaque Tension

Effet photo-lectrique Tension

Force Pizo-lectricit

Charge

lectrique Pression

Acclration Induction lectromagntique

Tension Vitesse

Position (Aimant) Effet Hall

Tension Courant

Tableau 1 : Grandeurs dentre et de sortie et effet utilis pour les capteurs actifs

11

12

Soit d'une variation de dimension du capteur, c'est le principe de fonctionnement d'un grand

nombre de capteur de position, potentiomtre, inductance noyaux mobile, condensateur

armature mobile.

Soit d'une dformation rsultant de force ou de grandeur s'y ramenant, pression acclration

(Armature de condensateur soumise une diffrence de pression, jauge d'extensomtre lie une

structure dformable).

2. CAPTEURS A EFFET PIEZOELECTRIQUE:

2-1- Leffet pizolectrique:

2-2- Capteur de force: Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

Grandeur mesure Caractristique

lectrique

sensible

Type de matriau utilis

Temprature Rsistivit Mtaux : platine, nickel, cuivre ...

Trs basse

temprature

Constante dilectrique

Verre

Flux de rayonnement

optique

Rsistivit

Semi-conducteur

Dformation Rsistivit Alliage de Nickel, silicium dop

Permabilit

magntique Alliage ferromagntique

Position (aimant)

Rsistivit Matriaux magnto rsistants :

bismuth, antimoine d'indium

Humidit Rsistivit Chlorure de lithium

Une force applique une lame de quartz induit une dformation qui donne naissance une tension lectrique.

La tension VS de sortie sera proportionnelle la force F :

VS = k.(F+F) = 2k.F avec k constante.

Ampli Mise

en forme

VS

Mtal

V U

Tableau 2 : Type de matriau utilis et caractristique lectrique des capteurs passifs

Fig. 1 : Leffet pizolectrique

Fig. 2 : Principe dun capteur de force

2-3- Capteur de pression: Dfinition : Lorsqu'un corps (gaz, liquide ou solide) exerce une force F sur une paroi S (surface); on

peut dfinir la pression P exerce par ce corps avec la relation ci- dessous :

Sachant que :

Le capteur de force est insr dans la paroi d'une enceinte o rgne une pression P. Une face du capteur est soumise la force F (pression P) et l'autre face est soumise la force F0

(pression extrieure P0).

On a F = P.S ; F0 = P0.S et uS = k.(F+F0) ( capteur de force, k = constante ).

Donc uS = k.S ( P + P0 ) = k' ( P + P0 ) uS = k' ( P + P0 ) .

Il s'agit ici d'un capteur de pression qui mesure la somme de la pression extrieure P0 et de la pression de l'enceinte P.

2-4- Capteur dacclration:

2-5- Capteur ultrason: La rception d'un son engendre une variation de pression la surface du rcepteur. Un capteur de

pression sur cette surface donnera donc une tension image du signal ultrasonore.

3. CAPTEURS A EFFET HALL:

3-1- Leffet Hall:

Chapitre 2

L'augmentation de vitesse V

du vhicule donne une acclration a

qui induit une force F exerce par la masse sur le capteur.

On a donc : F = m.a mais uS = 2k.F

et donc uS = 2k.m.a

Un barreau de semi-conducteur soumis un champ magntique uniforme B et travers par un

courant I, est le sige d'une force lectromotrice UH sur deux de ses faces. La tension de Hall UH est dfinie par la relation ci-contre :

F Fo Enceinte la pression P

Capteur de force de surface S

Ampli Us

Masse m suspendue

F

V

Capteur de Force

Tension Us en sortie

13

Fig. 3 : Principe dun capteur de pression

Fig. 4 : Principe dun capteur dacclration

B B

B

I

I

V

e UH

Fig. 5 : Leffet Hall

RH : constante de Hall (dpend du semi-conducteur)

I : intensit de la source de courant (A)

B : intensit du champ magntique (T)

e : paisseur du barreau de silicium.

Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension UH proportionnelle au champ magntique B :

UH = k.B avec k constante gale

3-2- Capteur de champ magntique:

La sensibilit de ce capteur pourra tre ajuste en agissant sur I et sur A.

3-3- Autres applications:

3.3.1 Capteur de proximit:

3.3.2 Mesure de l'intensit d'un courant lectrique sans "ouvrir " le circuit:

4. CAPTEURS A EFFET PHOTOELECTRIQUE: 4-1- Leffet photolectrique:

Un semi-conducteur est un matriau pauvre en porteurs de charges lectriques (isolant). Lorsqu'un photon d'nergie suffisante excite un atome du matriau, celui-ci libre plus facilement un lectron qui participera la conduction.

Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

Gnrateur

de courant

I

Capteur

HALL

Ampli

Us=A.UH UH Us

Capteur de

champ

magntique N S

Aimant Le capteur dtecte l'approche de

l'aimant plac au pralable sur un objet.

Conducteur parcouru

par un courant I

Tore de mtal de

permabilit

Entrefer

Capteur de champ

magntique

Le courant I cre un champ magntique

proportionnel ce courant :

Le capteur donne une tension US = k.B = k'.I avec k et k' constantes. C'est le principe des pinces ampremtriques

(mesure de forts courants de 1000A et plus).

14

Fig. 6 : Principe dun capteur de champ magntique

Fig. 8 : Mesure de courant en boucle ferme

Fig. 7 : Capteur de proximit

4-2- Les photorsistances: Une photorsistance est une rsistance dont la valeur varie en fonction du flux lumineux qu'elle reoit.

Exemple:

Obscurit : R0 = 20 M (0 lux) Lumire naturelle : R1 = 100 k (500 lux)

Lumire intense : R2 = 100 (10000 lux).

Caractristique lumire/tension:

Avantages :

Bonne sensibilit

Faible cot et robustesse.

Inconvnients :

Temps de rponse lev

Bande passante troite

Sensible la chaleur.

Utilisation : Dtection des changements obscurit-lumire (clairage public).

4-3- Les photodiodes: Une photodiode est une diode dont la jonction PN peut tre soumise un clairement lumineux.

Courbe : Le graphe I = f(U) pour une photodiode dpend de l'clairement en (Lux) de la jonction PN.

On constate que lorsque la diode est claire, elle peut se comporter en gnrateur (I = 0, U= 0,7V pour 1000lux). On a donc affaire une photopile (effet photovoltaque).

Chapitre 2

108

107

102

0 E (Lux)

R ()

10-2 102103

Obscurit (diode normale)

Eclairement moyen (500 lux)

Eclairement fort (10000 lux)

Photodiode I=f(U)

0,5 0 0,5 1

4

3

2

1

0

15

Fig. 9 : Caractristique courant/tension dune photodiode en fonction de lclairement

Avantages :

Bonne sensibilit

Faible temps de rponse (bande passante leve). Inconvnients :

Cot plus lev qu'une photorsistance

Ncessite un circuit de polarisation prcis

Utilisations :

Transmission de donnes

6

Roue codeuse

5. CAPTEURS A RESISTANCE VARIABLE PAR DEFORMATION :

5-1- Capteurs potentiomtriques de dplacement:

5.1.1 Principe:

Pour mesurer la position d'un objet, il suffit de le relier mcaniquement au curseur C d'un potentiomtre (schma ci-dessous).

On applique une tension continue E entre les extrmits A et B du potentiomtre. La tension U en sortie

aura l'expression suivante :

La tension U en sortie est donc proportionnelle la position x du curseur.


Emetteur

(diode IR) Rcepteur

(photodiode) Rayon lumineux ou

fibre optique

Tlcommande IR

Transmission de donnes par fibre

optique

Dtection de passage

Emetteur

diode IR

Rcepteur

Photodiode

Mesures d'angle et de vitesse

Comptage d'impulsions (souris de PC)

R

Position 1

Position x (0

Avantages :

Simplicit dutilisation

Faible cot. Inconvnients :

Usure mcanique

5.1.2 Utilisations: Mesure de dplacement rctilogne

Mesure dangles de rotation Mesure de dbit de fluide : Le dbit du fluide exerce une force sur un clapet reli au curseur d'un

potentiomtre. La tension en sortie du potentiomtre augmente avec la vitesse d'coulement.

5-2- Capteurs jauges dextensiomtrie: 5-2-1. Principe:

La rsistance d'un conducteur est donne par la fameuse relation :

: Rsistivit en .m L : longueur en m

S : section en m2

La dformation du conducteur (jauge) modifie la longueur l entranant une variation de la rsistance R.

La relation gnrale pour les jauges est

o Kest le facteur de jauge.

5-2-2 Fonctionnement dune jauge simple:

La jauge est constitue d'une piste rsistive colle sur un support en rsine. Le tout est coll sur le corps dont on veut mesurer la dformation.

Corps au repos (pas dallongement)

Chapitre 2 Les diffrents types de capteurs

Fluide

Piste

rsistive Curseur Ressort

de rappel

Corps

dformable Support

Piste

rsistive

Longueur l

Rsistance mesure Ro

17

Fig. 13 : Mesure de dbit

Fig. 14 : Jauge dextensiomtrie

Corps ayant subi un tirement (effort de traction)

Remarque : Dans le cas dune contraction, la rsistance de la jauge serait Ro - R.

Conditionneur de signal (pont de Wheatstone)

En gnral, la variation R est petite devant R0; la relation se simplifie alors pour devenir quasi-linaire :

Remarque : On peut amliorer la sensibilit et la linarit du dispositif en utilisant un pont 2 rsistances et 2 jauges symtriques R0 + R et R0 - R. Il est mme possible d'utiliser un pont 4 jauges symtriques pour avoir une parfaite linarit.

6. CAPTEURS DE TEMPERATURE : 6-1- Thermomtre thermocouple:


F F

Rsistance mesure

Ro + R

Longueur l+ l

La tension de sortie v du pont a l'expression suivante :

En gnral, la variation R est petite devant R0; la relation se simplifie alors pour devenir quasi-linaire :

La tension de sortie v du pont a l'expression suivante :

On constate que si la temprature T2 est

diffrente de T1 alors il apparat une tension U

aux bornes des deux fils soumis la

temprature T1.

Le phnomne inverse est aussi vrai : si on

applique une tension, alors il y aura un

chauffement ou un refroidissement au point

de liaison des deux conducteurs (modules

effet Peltier).

V

T1 T1 U mtal B mtal A

Soudure

Temprature

msurer T2

18

Fig. 15 : Jauge dextensiomtrie ayant subi un tirement

Fig. 17 : Principe de fonctionnement dun thermocouple

Fig. 16 : Conditionneur de signal

R

R0+ R R

R0

E V

Jauge au repos

Jauge aprs

tirement Rsistances quelconques

Application: Mesure des hautes tempratures : 900 1300 C.

6-2- Thermistance: Une thermistance est un composant dont la rsistance varie en fonction de la temprature. En premire approximation, la relation entre rsistance et temprature est la suivante :

: La rsistance la temprature

: La rsistance la temprature 0C

: Le coefficient de temprature. Remarque:

si a > 0 alors on a une thermistance CTP (R quand ) si a < 0 alors on a une thermistance CTN (R quand ).

Application: On insre la thermistance dans un pont de jauge. On obtient ainsi une tension V en sortie du

pont . Si on prend , on obtient . On peut aussi alimenter la thermistance avec un gnrateur de courant. La tension ses bornes sera donc proportionnelle la rsistance.

6-3- Capteurs sortie numrique directe: On trouve actuellement sur le march, des capteurs de temprature sortie numrique directe de

type srie. Il s'agit notamment des capteurs DALLAS qui sont classs en deux catgories :

6-3-1 Les capteurs sortie I2C (2fils) DS1621:

Le DS1621 possde aussi d'autres fonctions :

Il est adressable physiquement sur 3 bits (A0, A1 et A2), ce qui permet d'en utiliser 8 sur la mme ligne SDA-SCL.

Il possde une fonction thermostat qui permet de commander un chauffage (tempratures TH et TL) par l'intermdiaire de la ligne TOUT mme lorsque le capteur est dconnect du matriel informatique.

Chapitre 2 capteurs

Ce capteur DS1621 peut mesurer une temprature

variant de -55C 125C avec une prcision de 0,5C.

Pour transmettre la mesure (9 bits), il utilise la norme I2C

qui consiste transmettre en srie les bits de mesure sur

la ligne SDA en synchronisation avec la ligne SCL

(horloge). Tableau 3

19

6-3-1 Les capteurs sortie I2C (2fils) DS1621:

Le DS1621 possde aussi d'autres fonctions :

Il est dot d'une adresse (numro de srie) affecte en usine et dfinitive. Elle est code sur 8

octets ce qui permet d'utiliser, en thorie, un trs grand nombre de DS1820 sur la mme ligne.

Une alarme de temprature peut tre paramtre et la consultation de celle-ci se fait par lecture

d'une zone mmoire (adresse donne).


Ce capteur DS1820 peut mesurer une temprature variant

de -55C 125C avec une prcision maximale de 0,125C.

Pour transmettre la mesure ( rsolution rglable de 9 12 bits ),

il utilise la norme i-button qui consiste transmettre en srie

sur un seul fil, le rsultat de la mesure.

La ligne VD peut tre connecte la masse GND et la ligne DQ

supportera la fois l'alimentation et la transmission des

donnes, d'o l'appellation 1 Wire.

Il suffit donc de deux fils (DQ et GND) pour alimenter et

communiquer avec ce capteur.

Tableau 4

20

RRiieenn nneesstt ffaacciillee,, mmaaiiss ttoouutt vvaauutt llaa ppeeiinnee ddttrree eessssaayy

BBAACCHHEELLAARRDD

CCCHHHAAAPPPIIITTTRRREEE 111 ::: LLLEEENNNEEERRRGGGIIIEEE PPPNNNEEEUUUMMMAAATTTIIIQQQUUUEEE ............................................................................................. 222333

1. CONSTITUTION DU NE INSTALLATION PNEUMATIQUE ........................................................................ 23

2. PRODUCTION DE LENERGIE PNEUMATIQUE ................................................................................... 24

3. PRINCIPES PHYSIQU ES ............................................................................................................ 25

CCCHHHAAAPPPIIITTTRRREEE 222 ::: LLLEEESSS PPPRRREEEAAACCCTTTIIIOOONNNNNNEEEUUURRRSSS PPPNNNEEEUUUMMMAAATTTIIIQQQUUUEEESSS ............................................. 222555

1. FONCTION .......................................................................................................................... 25

2. CONSTITUANTS D'UN DISTRIBUTEUR ............................................................................................ 25

3. LES PRINCIPAUX DI STRIBUTEURS PNEUMATIQUES ............................................................................ 25

4. LES DISPOSITIFS DE COMMANDE ................................................................................................. 26

5. APPLICATION: PRES SE PNEUMATIQUE .......................................................................................... 27

CCCHHHAAAPPPIIITTTRRREEE 333 ::: LLLEEESSS AAACCCTTTIIIOOONNNNNNEEEUUURRRSSS PPPNNNEEEUUUMMMAAATTTIIIQQQUUUEEESSS ...................................................... 222999

1. LES VERINS ................................................................................................................. 29

2. LE GENERATEUR DE VIDE OU VENTURI ............................................................................................ 31

CCCHHHAAAPPPIIITTTRRREEE 444 ::: LLLEEESSS AAACCCTTTIIIOOONNNNNNEEEUUURRRSSS HHHYYYDDDRRRAAAUUULLLIIIQQQUUUEEESSS ......................................................... 333333

1. DEFINITION ......................................................................................................................... 33

2. PRINCIPAUX TYPES DE VERINS ................................................................................................... 33

3. DIMENSIONNEMENT DES VERINS ................................................................. ............................... 33

4. APPLICATION ............ .......................................................................................................... 33

CHAPTRE1

PARTIE 2

22

Tra

nsla

tion

(Com

pre

ssion)

Les actionneurs pneumatiques et hydrauliques CHAPITRE 1 INTRODUCTION :

Lnergie pneumatique est couramment utilise dans la partie oprative d'un systme automatis ; la

source de cette nergie est lair comprim. La production de l'nergie pneumatique (air comprim) peut tre rsume en trois phases principales : la compression, stockage et distribution de l'air comprim.

1. Constitution dune installation pneumatique:

Une installation pneumatique est compose de :

1. un gnrateur dair comprim (compresseur) 2. un rservoir de capacit proportionnelle au dbit de linstallation 3. un rseau de canalisations 4. des appareils auxiliaires assurant diverses fonctions :

rglage des caractristiques de l'air : dtendeur, rgulateur de pression, etc.

conditionnement de lair : filtre, lubrificateur, etc. contrle et scurit : manomtre, soupape, etc.

1 : Accumulateur

2 : Manomtre

3 : Soupape de scurit

4 : Vanne disolement 5 : Filtre principal

6 : Moteur

7 : Compresseur 8 : Lubrificateur

9 : Filtre rgulateur 10 : Pot de condensation 11 : Purge

2. Production de lnergie pneumatique :

2.1. Compression de l'air :

Un compresseur (7), entran par un moteur (6), aspire et comprime lair ambiant et laccumule dans un rservoir (accumulateur).

Rotation

Compresseur

Chapitre 1 Lnergie pneumatique 23

2.2 - Stockage :

Laccumulateur (1) stocke lair comprim issu du compresseur et vite ainsi de faire fonctionner le moteur tout le temps. Il permet en plus de compenser les variations de pression. Pour des raisons de scurit, laccumulateur comporte :

une vanne disolement un robinet de purge,

un manomtre.

Manomtre Vanne disolement Compresseur+ accumulateur

2.3 - Distribution :

La distribution de lair comprim seffectue par un rseau de canalisations et diffrents piquages servant de point d'accs ce rseau pneumatique. Un groupe de conditionnement y est install afin de filtrer et de lubrifier l'air comprim:

un filtre : p o u r asscher l'air et filtrer les

poussires.

un mano-rgulateur : pour rgler et rguler la pression de l'air.

un lubrificateur : pour viter la corrosion et

amliorer le glissement.

Filtre

Rgulateur

de pression

Unit FRL

Lubrificateur

3. PRINCIPES PHYSIQUES :

La force mcanique produite par lnergie pneumatique est lie la pression par la relation :

F= P.S. Surface S

F est la force rsultante en Newton

p est la pression en Pascals (Pa)

S est la surface en m2.

Pression p de

l'air

comprim

Force

F=p.s

Le pascal tant trop petit pour les pressions utilises dans lindus trie, on utilise souvent le bar :

1 bar = 105 Pa.

1 bar = 100000 N/m2

Dans une installation pneumatique on se limite une pression de 6 10 bar.


LES PREACTIONNEURS PNEUMATIQUES CHAPITRE 2

1. FONCTION :

Ils ont pour fonction essentielle de distribuer l'air sous pression aux diffrents orifices des actionneurs

pneumatiques. Comme le contacteur est associ un moteur lectrique, le distributeur est le pr-

actionneur associ un vrin pneumatique : Distributeur lectropneumatique

Rle dun distributeur pneumatique

Ordres

Energie

pneumatique

Distribuer l'nergie

Distributeur

Energie pneumatique

distribue

2. CONSTITUANTS D'UN DISTRIBUTEUR :

On peut comparer un distributeur un robinet que lon ouvre et fermer non pas la main, mais par des ordres donns par la PC.

Il est constitu dune partie fixe (le corps) et dune partie mobile (le tiroir) qui peut se dplacer lintrieur de la partie fixe selon un ordre directe (manuelle) ou indirecte (provenant de la PC). Le tiroir est dot de conduites permettant le passage de lair entre les diffrents orifices de la partie fixe.

Tiroir

Ordre de distribution

Energie

pneumatique

Energie vers

actionneurs

Partie fixe

Ordre de non distribution

Position 1 Position 2

3. LES PRINCIPAUX DISTRIBUTEURS PNEUMATIQUES:

Un distributeur est caractris :

Par son nombre d'orifices, c'est dire le nombre de liaisons qu'il peut avoir avec son environnement (arrive, sortie(s) et chappement de la pression) ;

Par son nombre de positions que peut occuper le tiroir.

Chapitre 2 Les practionneurs pneumatiques 25

Le nom et la reprsentation d'un distributeur dcoulent de ces deux caractristiques. Chaque position

est symbolise par un carr dans lequel figurent les voies de passage de l'air comprim :

Orifice dutilisation

Vers actionneurs

Ordre

Case 1 Case 2

Orifice dchappement

Orifice dalimentation Echappement

Pression

Exemples :

Distributeur 3/2

En position repos, lorifice dalimentation du vrin est reli lorifice dchappement : la tige est maintenue donc rentre ;

En position travail, provoque par un ordre de la PC, lorifice dalimentation du vrin est mis en liaison avec la source dair comprim. Par consquent, la tige sort.

Distributeur 5/2

Suivant la position occupe, lair comprim est verrouill vers lun des deux orifices dalimentation du vrin tandis que lautre est lchappement.

4. LES DISPOSITIFS DE COMMANDE :

La commande du distributeur a pour fonction de positionner le tiroir dans une position ou dans lautre. Elle peut tre lectromagntique, pneumatique, lectropneumatique ou manuelle. On parle :

Dun distributeur monostable si le retour du tiroir sa position initiale est assur par un ressort de rappel ;

dun distributeur bistable si le tiroir reste dans l'tat que lui a impos le dernier ordre envoy par la PC

Distributeur commande lectrique


Distributeurs 3/2 et 5/2

La commande du distributeur est reprsente par un rectangle accol la case quelle commute et complte par un ou plusieurs symboles schmatisant la technologie utilise.

La figure suivante donne la schmatisation des diffrents dispositifs de commande :

Commande

manuelle

Commande manuelle

par poussoir

Commande

lectrique

Commande lectropneumatique

Commande

pneumatique

Rappel par

ressort Distributeurs sur leur embase

Exemples: distributeur pilotage pneumatique

Bp1 non actionn Bp2 actionn

Arriv de la

pression

5. APPLICATION: PRESSE PNEUMATIQUE

Dans une presse pneumatique on a le cycle suivant:

Un appui sur un bouton poussoir (Bp1) : descente de la tige du vrin Un appui sur un bouton poussoir (Bp2) : rentre de la tige du vrin

Le schma ci -dessus montre le cblage du vrin pneumatique de la presse avec le distributeur

bistable 5/2:

Vrin

double effet

Sortie de la tige du vrin Rentre de la tige du vrin

Bp1 actionn Bp2 non actionn

Chapitre 2 Les practionneurs pneumatiques 27

E X E R C I C E N O N R E S O L U

Dans une usine de fabrication de voiturettes miniature, on dsire le fonctionnement suivant :

Loprateur place sur un gabarit le chssis, les essieux de roues avant et arrire, ainsi que la coque.

Lorsque cela est prt, il appuie sur un bouton poussoir, ce qui a pour effet de faire descendre le vrin de sertissage, qui remonte ds quil est arriv en bout de course.

En appelant

V- le mouvement de rentre de tige h

h le capteur haut b le capteur bas m

m le bouton poussoir, b La premire quation scrit :

V+ = h.m La deuxime quation scrit :

V- =b

1. Etablir le schma de cblage en utilisant un distributeur bistable 5/2 et un vrin double effet.

2. Modifier le cblage de manire ce que la sortie du vrin ne se fasse quaprs appui simultan sur deux boutons poussoirs m et r (pour amliorer la scurit, loprateur devra appuyer sur un bouton avec chaque main, de manire viter doublier une main sous le vrin).

N.B les capteurs a et b sont des capteurs pneumatiques (distributeur 2/2).


LES ACTIONNEURS PNEUMATIQUES CHAPITRE 3 INTRODUCTION :

Un actionneur pneumatique est un dispositif qui transforme

lnergie de lair comprim en travail mcanique. Parmi les actionneurs pneumatiques les plus utiliss dans les systmes automatiss on trouve :

le vrin pneumatique ;

le gnrateur de vide Venturi.

Presse pneumatique

1. LES VERINS :

Ce sont les actionneurs qui ralisent des mouvements gnralement linaires l'endroit mme o on a

besoin d'une force.

Exemples: perceuse, porte autobus, presse (figure ci-dessus), etc.

Modle fonctionnel dun vrin Vrin standard

Energie

pneumatique

TRANSFORMER

LENERGIE

Energie

lectrique

Vrin

1.1. Constitution et principe de fonctionnement :

Un vrin est constitu dun cylindre, ferm aux deux extrmits, lintrieur duquel se dplace librement un piston muni dune tige, sous leffet des forces dues la pression de lair comprim. Pour faire sortir la tige, on applique la pression sur la face arrire du piston et pour la faire rentrer, on applique la pression sur la face avant :

1 orifice de raccordement

2- tube ferm par les flasques

3- piston

4- orifice de raccordement

1 2 3 4 5

Constitution dun vrin pneumatique

29 Chapitre 3 : Les actionneurs pneumatiques 29

1.2. Types usuels des vrins:

1.2.1.Vrin simple effet:

Ce vrin produit leffort dans un seul sens. Il nest donc aliment que dun seul cot. Le retour la position initiale seffectue en gnral par un ressort.

Effort

Air

Symbole

1.2.2 Vrin double effet :

Dans un vrin double effet, la sortie et la rentre de la tige seffectue par lapplication de la pression, alternativement, de part et dautre du piston. Les vrins double effet sont utiliss lorsquon a besoin deffort important dans les deux sens.

Efforts

Symbole Air Air

Vrin pneumatique avec capteur de fin de course (ILS)

Remarque : Dans les vrins on peut trouver dautres fonctions complmentaires tel que : amortissement de fin de course, capteur de position, dispositifs de dtection, etc.

1.3. Vrins spciaux

Vrins sans tige

Vrins rotatifs

Vrins compacts

Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation 30 30

1.4. Caractristiques et performances dun vrin :

Le fonctionnement dun vrin dpend des caractristiques suivantes :

Le diamtre du piston ;

La course de la tige ;

La pression dalimentation.

Le choix et le dimensionnement dun vrin seffectuent en fonction de leffort transmettre.

Exemple: Un vrin ayant un piston de diamtre D = 8 mm et aliment par une pression de 6 bar (60000 Pa) fournit

un effort sortant: F = (pxxD) / 4 soit 3016 N. D

1.5. Exemple d'utilisation des vrins pneumatiques:

Transfert

Pivotement

jection

Marquage Assemblage Formage

Serrage

2. LE GENERATEUR DE VIDE OU VENTURI :

Un gnrateur de vide ou venturi est un actionneur pneumatique dont le rle est de transformer lnergie pneumatique en surpression en une nergie pneumatique en dpression.

Principe du venturi Un venturi est compos

dun jecteur muni dune conduite dair plus troite du ct de lentre et dun orifice, perpendiculaire la conduite, servant connecter la ventouse. Le passage de lair comprim dans le conduit provoque une dpression et entrane avec lui lair prsent dans lorifice perpendiculaire. Par consquent, une aspiration se produit au niveau de la ventouse.

Air

comprim

Ejecteur

Ventouse

Aspiration

Symbole

Chapitre 3 : Les actionneurs pneumatiques

31


Dans un autobus, le vrin utilis pour ouvrir ou fermer la porte est un vrin double effet. Sachons que le diamtre:

du piston D=40mm ; de la tige d=15mm ;

La pression est gale : P=6bar

1 - Calculer :

a) l'effort thorique Fo pour ouvrir la porte. b) l'effort thorique Ff pour fermer la porte.

2 - Pour l'ouverture et la fermeture de la porte le chauffeur appuie sur deux boutons poussoirs

Bp1 Bp2. Etablir le schma de cblage du circuit pneumatique (vrin+distributeur+Bp1+ Bp2).

CORRIGE :

1 - a) Fo= p x D/4 AN Fo = 754 N. b) Ff=p x (D-d)/4 AN Ff = 648 N.

2 -Voir le schma de cblage de la presse (chapitre practionneurs pneumatiques)


EXERCICE N1 :

Leffort de serrage que doit exercer un vrin de bridage est de 6500N. Si le diamtre dalsage D est de 125 mm, dterminer la pression thorique ncessaire.

EXERCICE N2 :

Soit une masse d'une charge de 700 kg soulever par un vrin V (avec lacclration de la pesanteur g = 9,81 m/s). Les pertes par frottements internes sont estimes 10%, la pression dalimentation en air est de 600kPa. Si les forces dinertie et la contre-pression sont ngliges, dterminer le diamtre du piston.

EXERCICE N3 :

Calculer les efforts thoriquement dveloppables, en poussant et en tirant, dun vrin (D = 100 mm et d = 25 mm) si la pression dutilisation est de 500 kPa. Refaire la question si les pertes par frottements sont de 12 %.

Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation 5532

LES ACTIONNEURS HYDRAULIQUES CHAPITRE4 INTRODUCTION :

Les convertisseurs hydrauliques transforment lnergie hydraulique en nergie mcanique. On distingue:

Les rcepteurs pour mouvement de translation: les vrins.

Les rcepteurs pour mouvement de rotation: les moteurs hydrauliques. Remarque : Vue la trs grande similarit entre les actionneurs hydrauliques et pneumatiques, on limitera ltude dans ce chapitre aux notions les plus importantes.

1. Les vrins: 1.1. Principaux types de vrin :

Chapitre 4 : Les actionneurs hydrauliques

Symboles Schmas

Vrin simple effet Lensemble tige piston se

dplace dans un seul sens sous

laction du fluide sous pression. Le retour est effectu par un ressort

ou charge.

Avantages : conomique et

consommation de fluide rduite. Inconvnients : encombrant, course limit.

Utilisation : travaux simples (serrage, jection, levage)

Vrin double effet Lensemble tige piston peut se dplacer les deux sens sous laction du fluide. Leffort en poussant est lgrement plus grand que leffort en tirant. Avantages : plus souple, rglage plus facile de la vitesse, amortissement de fin de course rglable. Inconvnients : plus coteux. Utilisation : grand nombre dapplications industriels

Vrins spciaux 1- Vrin tige tlescopique : simple effet permet des courses importantes tout en conservant une longueur replie raisonnable.

2- Vrin rotatif : lnergie du fluide est transforme en mouvement de rotation. Langle de rotation peut varier de 90 360. Les amortissements sont possibles.

33

d

EXERCICE RESOLU

1.2. Dimensionnement des vrins : Pour dterminer la pression (p) dutilisation dun vrin, il faut connatre :

La force F ncessaire dvelopper.

La section annulaire S.

ou encore

Pour dterminer les vitesses de sortie et de rentre du vrin :

Notons :

Q : le dbit du fluide dans le vrin

V : la vitesse de la tige du vrin

en Systme International avec V en m/s, Q en m3/s et S2 en m2

Puissance utile :

or

mais comme d (la course de vrin) est gale

ce qui

donne :

Puissance hydraulique absorbe :

Rendement dun vrin :

On veut dplacer une charge de 10 T laide dun vrin. Sachant que le diamtre du vrin est de 20 mm et que son alsage est de 100 mm. Calculer la pression P ncessaire pour pousser la charge.

CORRIGE :

P=


EXERCICE N1 :

Le piston dun vrin a une section de 40 cm2. Ce vrin reoit un dbit de 24 l/min. Quelle est :

La vitesse V de dplacement en sortie de tige.

La dure de la course si celle-ci fait 20 cm. EXERCICE N2 :

Un vrin a pour section ct piston 40 cm2. Il reoit un dbit 36 l/min. La pression de service est de 80 bar. Calculer :

La puissance fournie par le vrin. La puissance ncessaire au rcepteur, sachant que le rendement global de linstallation est de

6O%.


S2 S1

S=S2-S1

34

PPoouurr pprrooggrreesssseerr,, IIll nnee ssuuffffiitt ppaass ddee vvoouullooiirr aaggiirr,, iill ffaauutt

ddaabboorrdd ssaavvooiirr ddaannss qquueell sseennss aaggiirr..

GGuussttaavvee LLEE BBOONN

CCCHHHAAAPPPIIITTTRRREEE 111 ::: LLLEEESSS PPPRRREEEAAACCCTTTIIIOOONNNNNNEEEUUURRRSSS EEELLLEEECCCTTTRRRIIIQQQUUUEEESSS ............................................................... 333777

1. LE RELAIS ............................................................................................................................... 37

2. LE CONTACTEUR ....................................................................................................................... 39

3. LE SECTIONNEUR ........................................................................................................................ 40

4. LES FUSIBLES ........................................................................................................................... 41

5. LE RELAIS THERMIQUE ................................................................................................................. 41

CCCHHHAAAPPPIIITTTRRREEE 222 ::: CCCOOONNNVVVEEERRRTTTIIISSSSSSEEEUUURRR EEELLLEEECCC TTTRRROOOMMMEEECCCAAANNNIIIQQQUUUEEE ................................................... 444444

1. ORGANISATION DE L A MACHINE ..................................................................................................... 44

2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ..................................................................................................... 44

3. MODELE ELECTRIQUE SIMPLE DU MOTEUR A COURANT CONTINU ............................................................... 46

4. DEMARRAGE DU MOTEUR A COURANT CONTINU .................................................................................. 46

5. BILAN DES PUISSANCE ................................................................................................................. 47

6. REVERSIBILITE DE LA MACHINE A COURANT CONTINU ........................................................................... 47

7. ALIMENTATION DU MOTEUR ......................................................................................................... 48

8. FONCTIONNEMENT A VITESSE VARIABLE ........................................................................................... 48

CCCHHHAAAPPPIIITTTRRREEE 333 ::: LLLEEESSS MMMOOOTTTEEEUUURRRSSS PPPAAASSS AAA PPPAAASSS ......................................................................................................... 555000

INTRODUCTION ............................................................................................................................ 50

1. MOTEUR A AIMANT PERMANANT ..................................................................................................... 50

2. MOTEUR A RELUCTANCE VARIABLE .................................................................................................. 53

3. MOTEUR HYBRIDE ...................................................................................................................... 54

PARTIE 3

36

CHAPITRE 1 LES PREACTIONNEURS ELECTRIQUES

INTRODUCTION

Les practionneurs sont des constituants qui, sur ordre de la partie de commande, assurent la distribution de lnergie de puissance aux actionneurs. Dans les circuits lectriques, les practionneurs sont gnralement soit un relais, soit un contacteur. Le contacteur assure en plus lextinction de larc lectrique qui accompagne souvent la commutation de lnergie de forte puissance. En effet, quand on ouvre un circuit en cours de fonctionnement, le contact en cause provoque un arc lectrique qui peut tre dangereux pour les biens et les personnes.

1. LE RELAIS

Le relais est un composant lectrique ralisant la fonction dinterfaage entre un circuit de commande, gnralement bas niveau, et un circuit de puissance alternatif ou continu (Isolation

galvanique). On distingue deux types de relais : le relais lectromagntique et le relais statique.

1.1. Relais lectromagntique :

1.1.1. principe :

Un relais lectromagntique est constitu dune bobine alimente par le circuit de commande, dont le noyau mobile provoque la commutation de contacts pouvant tre plac dans un circuit de puissance. Le relais lectromagntique est rserv pour les faibles puissances.

1.1.2. Caractristiques fondamentales :

Tension dalimentation : Cest une tension continue qui permet dexciter la bobine.

La rsistance de la bobine : paramtre permettant de dterminer le courant circulant dans le

circuit de commande.

Le courant des contacts : cest le courant maximal que peut commuter les contacts de relais sans dommage.

1.2. Relais statique :

1.2.1. Dfinition

Ce qui est vrai pour un relais lectromagntique est vrai pour un relais statique. De plus un relais statique commute de manire totalement statique, sans pice en mouvement, confrant au composant une dure de vie quasi illimite. La structure de base dun relais statique ainsi que son fonctionnement sont comme suit :

Chapitre 1 : Les practionneurs lectriques 37

1. Le circuit d'entre correspond l'unit de traitement ;

2. Le circuit de mise niveau ; 3. Le circuit de dtection de passage

de zro permet de ne commuter le relais que si la tension secteur est pratiquement nulle ; ainsi on vitera les rayonnements dus une commutation d'une grande valeur ;

4. La charge.

Fonctionnement simplifi dun TRIAC

Le triac TR se comporte comme un interrupteur command :

Si VGA2 = 0, TR est bloqu (circuit ouvert), la charge n'est pas alimente ;

A1 Alimentation

TR

Si V

GA2 = 1V, TR conduit (circuit ferm : sa tension G A2 Charge

VA1A2 est ngligeable), la charge est alimente. VGA2

1.2.2. Caractristiques fondamentales :

Courant demploi : courant maximal que peut commuter le contact de sortie.

Tension dentre : cest la tension dalimentation. Elle peut tre continue ou alternative. Tension de sortie : cest la tension dalimentation de la charge. Elle est gnralement de type

alternatif. 1.3. Exemple de circuit :

La figure suivante prsente un exemple de relais statique bien connu le MOC 341, ainsi que le montage de base le mettant en uvre :

Si l'unit de commande, ici matrialise par une porte NAND, fournit un 0 la sortie de cette

porte, la diode infrarouge conduit, ce qui fait conduire l'optotriac interne, qui son tour commande le triac extrieur, qui devient comme un circuit ferm ; la charge (LOAD) est alors alimente par 240V AC

Le relais est muni du systme "zero crossing", ce qui vite de commander le triac quand la

tension secteur est grande, ce qui vite des parasites de commutation.


2. LE CONTACTEUR

2.1. Principe :

Un contacteur est un relais lectromagntique particulier, pouvant commuter de fortes puissances grce un dispositif de coupure darc lectrique. Sa commande peut tre continue ou alternative. Sa constitution est comme suit :

Des ples principaux de puissance ;

Un contact auxiliaire (avec possibilit d'additionner

au contacteur un bloc de contacts auxiliaires instantans ou temporiss) ;

une armature fixe et un autre mobile ;

Un ressort de rappel ;

Un circuit magntique ;

Une bobine de commande du contacteur. Si la

bobine est alimente elle attire larmature mobile pour actionner les ples de puissance ; Si elle nest pas alimente, un ressort de rappel ouvre les ples de puissance.

2.2. Caractristiques lectriques :

Tension nominale demploi Ue : Cest la tension entre deux ples de puissance qui ne provoque ni chauffement ni dtrioration du contacteur.

Courant nominale demploi Ie : Cest le courant qui peut circuler dans les ples de puissance sans provoquer ni chauffement ni dtrioration du contacteur.

Courant thermique conventionnel (Ith ) : courant qu'un contacteur en position ferme peut supporter pendant 8 heures sans que l'chauffement de la bobine ne dpasse 90C.

Pouvoir de coupure : courant maximal que le contacteur peut couper.

2.3. Catgories de fonctionnement et choix :

Pour choisir un contacteur il faut tenir compte, en plus des caractristiques prcdentes, des catgories demploi. Une catgorie demploie dfinit, pour lutilisation normale dun contacteur, les conditions dtablissement et de coupure du courant, en fonction du courant nominal demploi "Ie" et de la tension nominale demploi "Ue" ; elle dpend :

De la nature du rcepteur contrl (rsistance, moteur cage, moteur bagues, etc.).

Des conditions demploi dans lesquelles seffectuent les fermetures et les ouvertures ( moteur lanc ou cal, en cours de dmarrage, freinage par contre courant , etc. ).

En alternatif En courant continu Catgorie Utilisation Catgorie utilisation

AC1 Rsistance DC1 Rsistance AC2 Moteur asynchrone bague DC2 Moteur Shunt

AC3

Moteur asynchrone cage.

DC3 Dmarrage et freinage par contre

courant des moteurs Shunt

AC4

Moteurs asynchrone cage et bagues - Inversion du sens de marche - Freinage par contre courant - Marche par coups

DC4 Moteurs srie

DC5

Dmarrage et freinage par contre

courant des moteurs srie

Chapitre 1 : Les practionneurs lectriques

Tableau 5

39

Pour choisir un contacteur on utilise gnralement les guides de choix proposs par les constructeurs :

Exemple de choix : Un circuit de chauffage est compos par deux charges rsistives triphass.

Chaque charge consomme un courant de 10A par phase sous une tension U = 380V.

Il sagit de la catgorie de fonctionnement AC1. Sur le guide de choix on peut opter pour le contacteur suivant :

LC1-D09 A65

2.5. Schmas de mise en uvre :

Pour alimenter la bobine dun contacteur on peut utiliser lun des deux montages suivants :

AR K

MA

Commande par interrupteur Commande par deux poussoirs (la plus utilis)

Si on appuie sur le bouton poussoir MA la bobine du contacteur est alimente et ferme le contact

K. Mme si on relche le bouton poussoir la bobine reste alimente (automaintien). Pour couper lalimentation il suffit douvrir le bouton poussoir AR.

Gnralement, dans une chane dnergie lectrique, le practionneur ne sutilise pas seul, mais associ une classe dappareillage typique : sectionneur, relais thermique, etc.

3. LE SECTIONNEUR

Le sectionneur est un appareil de connexion qui permet d'isoler (sparer lectriquement) un circuit pour effectuer des oprations de maintenance ou de modification sur les circuits lectriques qui se trouvent en aval. Ainsi il permet dassurer la scurit des personnes qui travaillent sur le reste de linstallation en amont.

Le sectionneur ne possde aucun pouvoir de coupure, par consquent, il ne doit pas tre manuvr en charge.


Tableau 6

40

On trouve galement des sectionneurs qui servent en plus de porte-fusible. On les dsigne par

"Sectionneurs porte-fusible" :

Sectionneur Simple Sectionneur avec fusibles incorpors

4. LES FUSIBLES

Les fusibles sont des appareils de protection dont la fonction est

douvrir un circuit par fusion dun lment calibr, lorsque le courant dpasse une valeur prcise, pendant un temps donn. On trouve :

La classe gI ou gG : ce sont les fusibles dusage gnral ; ils protgent contre les surcharges et les courts-circuits.

La classe aM : ce sont les fusibles daccompagnement Moteur prvus pour la protection contre les courts-circuits et surtout pour la protection des moteurs.

5. LE RELAIS THERMIQUE

Le relais thermique est un appareil de protection capable de protger contre les surcharges prolonges. Une surcharge est une lvation anormale du courant consomm par le rcepteur (1 3 In), mais prolonge dans le temps, ce qui entrane un chauffement de l'installation pouvant aller jusqu' sa destruction. Le temps de coupure est inversement proportionnel l'augmentation du courant.

Symbole

Contact

command

Le relais thermique utilise la proprit d'un bilame form de deux lames minces ayant des coefficients

de dilatation diffrents. Lapparition dune surcharge se traduit par laugmentation de la chaleur (effet joule) ; Le bilame dtecte l'augmentation de chaleur, se dforme et ouvre le contact auxiliaire.

3 4 Chapitre 1 : Les practionneurs lectriques 41

Ce contact tant convenablement p lac dans le circuit de commande va couper l'alimentation de la bobine du contacteur qui va ouvrir ses ples de puissances et interrompre le passage de l'nergie lectrique au travers du rcepteur. Cest donc l'appareillage de commande qui coupe le circuit de puissance est non pas le relais thermique.

Bilame non dforme d = dformation due lchauffement provoque par le passage du courant.


EXERCICE N1 :

Pour distribuer lnergie vers lactionneur, typiquement un moteur triphas, le schma suivant est gnralement adopt. Dcrire le fonctionnement du montage :

EXERCICE N2 :

Lorsqu'on a commander plusieurs relais, on a besoin donc de plusieurs transistors. Pour diminuer la surface du circuit imprim, on utilise des circuits intgrs contenant plusieurs transistors de commande ; ce en plus des montages Darlignton. On donne titre d'exemple le ULN 2003. Donner alors le montage de commande d'un relais avec ce circuit.


CORRIGE :

EXERCICE N1 :

Si le bouton poussoir S1 du circuit de commande est actionn, la bobine du contacteur KM1 est alimente ; le contact KM1 du circuit de commande se ferme ainsi que les contacts KM1 du circuit de puissance, ce qui entrane la rotation du moteur MAS ;

Si S1 est relch le contact KM1 du circuit de commande maintient lalimentation de la bobine du contacteur (mmorisation). On parle alors dauto maintien ;

Pour arrter le moteur MAS, on appuie sur le bouton poussoir Ar, ce qui ouvre le circuit de

commande ; la bobine KM1 nest plus alimente et les contacts KM1 (commande et puissance) sont ouverts ;

Si au cours du fonctionnement (KM1 ferm) il y a une surcharge le relais thermique F schauffe, le contact qui lui est associ F souvre, ce qui ouvre le circuit de commande et protge le moteur MAS ;

Le sectionneur porte fusible a aussi un contact auxiliaire not Q qui souvre avant les contacts Q du circuit de puissance e, cas o on manuvre le sectionneur en charge ; ceci a le mme effet que le contact auxiliaire du relais thermique. Ce contact est appel contact de prcoupure .

EXERCICE N2 :


EXERCICE N1 :

A fin de minimiser le courant de dmarrage dun moteur asynchrone, on utilise un dmarrage rsistances statoriques. Au dmarrage lalimentation du moteur se fait via ces rsistances. Aprs une temporisation T on court-circuite ces rsistance pour liminer leurs effets, le moteur est alors alimenter directement avec le rseau. Donner le circuit de puissance et de commande.

EXERCICE N2 :

Donner un branchement des relais avec le

moteur pour que la commande de lun des deux relais permet de commander la rotation du moteur dans un sens ; et la

M

commande de lautre permet de le faire tourner dans lautre sens. Une utilisation de ce montage est la

commande dun store automatis.

Chapitre 1 : Les practionneurs lectriques 43

CONVERTISSEUR ELECTROMECANIQUE CHAPITRE 2

INTRODUCTION :

Cest un convertisseur permettant de convertir lnergie lectrique (courant continu) en rotation mcanique. Cest le moteur le plus simple mettre en uvre. Il trouve son utilisation, entre autres dans :

Llectronique de faible signaux (radio, video, entranement en rotation de la parabole, etc.) ;

La traction lectrique.

1. ORGANISATION DE LA MACHINE :

Dans lorganisation dune machine courant continu, on peut distinguer les principaux lments suivants :

les ples inducteurs avec leurs enroulements ou leurs aimants, placs gnralement sur le stator (partie fixe)

linduit, dont les diffrentes voies denroulements sont connectes au collecteur, lensemble tant gnralement plac sur le rotor (partie tournante)

les organes mcaniques permettant la rotation du rotor et le maintien des diffrents sous ensembles.

Stator Rotor

2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT :

2.1. Loi de Laplace :

Un conducteur travers par un courant et plac dans un champ magntique est soumis une force dont le sens est dtermin par la rgle des trois doigts de la main droite.

F = B x I x L

F : Force en Newtons B : Induction magntique en teslas I : Intensit dans le conducteur en ampres L : Longueur du conducteur en mtres

Pour dterminer le sens de la force, il faut placer les trois doigts

(pouce, index, majeur) perpendiculairement entre eux.

Le pouce se place dans le sens du champ (le sens des lignes d'induction est toujours du N au S l'extrieur d'un aimant et du S au N l'intrieur).

Le majeur se place dans le sens du courant (sens conventionnel toujours du + vers le -).

L'index dtermine alors le sens de la force.


2.2. Principe de fonctionnement dun moteur courant continu :

Lorsque l'on place une spire parcourue par un courant (grce aux balais et au collecteur) dans un champ magn tique, il apparat un couple de forces. Ce couple de forces cre un couple de rotation qui fait dvier la spire de plus ou moins 90 degrs par rapport au plan vertical, le sens du courant restant inchang dans la spire, au cours de ce dplacement, le couple de rotation diminue constamment jusqu' sannuler aprs rotation de la bobine de plus ou moins 90 degrs ( zone neutre, la spire se trouve l'horizontale et perpendiculaire aux aimants naturels).

Afin d'obtenir une rotation sans coup, l'enroulement dinduit doit tre constitu d'un nombre lev de spires similaires. Celles-ci seront rparties de faon rgulires sur le rotor (induit), de manire obtenir un couple indpendant de langle de rotation. Aprs le passage de la zone neutre, le sens du courant doit tre invers simultanment dans chacune de ces spires.

L'inversion du courant est opre par linverseur ou commutateur (collecteur) qui, associ au balais, constitue l'lment assurant la transmission du courant de la partie fixe la partie tournante du moteur.

2.3. Force contre lectromotrice induite :

Cette spire est le sige dune fcem (force contre lectromotrice) E qui dpend de la structure de la machine :

E = (p/a) . N . n .

P : nombre de paires de ples inducteurs. a : nombre de paires de voies de conducteurs dans linduit. N : nombre de conducteurs actifs. n : vitesse de rotation du rotor en tr/s.

: flux sous un ple.

Si le flux est constant cette fcem peut scrire :

Remarque :

E = k . n

Une machine courant continu (MCC) nest plus constitue par une seule spire mais par plusieurs spires mises en srie selon la reprsentation suivante :

2.4. Couple lectromagntique :

Une

section

Balais Collecteur

La puissance lectromagntique totale est le produit fcem avec le courant induit I : Pe=E.I. Or on

sait que la relation qui lit le couple avec la puissance est : C=P/ (avec est la vitesse de rotation en

rd/s). Et puisque = 2.n (avec n est la frquence de rotation en tr/s). Donc :

C = (k/2).I (pour un flux constant)

Chapitre 2: Convertisseur lectromcanique 45

C = k.( U

- k.n

) R R

3. MODELE ELECTRIQUE SIMPLE DU MOTEUR A COURANT CONTINU :

Induit

R

U E

Inducteur

Re

On peut crire la loi dohm lectrique (on suppose que linducteur est aimant permanent ou aliment par une tension continu constante, ce qui revient supposer que le flux est constant).

U = E + R.I

E = k.n

C = (k/2).I = k.I

Si on suppose que le moteur est aliment avec une tension constante U. On peut tracer la

caractristique mcanique C=f(n) du moteur :

C = k.I = k. (U E)/R

C

Cd

Cn Cette caractristique est

reprsente dans la courbe ci contre :

Cd : couple de dmarrage.

Cn : couple nominal.

nn : vitesse de rotation nominale.

nn n

U

On peut aussi tracer la caractristique lectrique U = f(I) Un

la vitesse nominale : E

U = E + R.I

I

In

4. DEMARRAGE DU MOTEUR A COURANT CONTINU :

4.1. courant de dmarrage :

Au dmarrage la vitesse est nulle donc n = 0. Donc E = 0. On peut alors crire :

U = R.ID (ID : courant au dmarrage).

Pour les grosses machines R est faible (de lordre de quelques diximes dOhms) et pour les petits

moteurs cette rsistance est relativement grande. Ce qui impose de prvoir un circuit permettant de minimiser ce courant lors de dmarrage des grosses machines.


4.2. circuit de dmarrage :

Pour minimiser ID on peut :

Soit dmarrer avec une tension U faible (Dmarrage tension rduite).

Soit ajouter une rsistance en srie avec linduit lors du dmarrage (Rhostat de dmarrage) (voir figure ci contre).

5. BILAN DES PUISSANCES :

5.1. Lensemble des pertes :

Dans un moteur courant continu on peut distinguer les pertes suivantes :

Pertes mcaniques : dues aux frottements et la rsistance arodynamique du ventilateur.

Pertes magntiques : dues aux pertes dans le circuit magntique (pertes par hystrsis, pertes par courant de Faucoult).

Pertes Joules : pertes dans les rsistances de linduit et de linducteur

Pj = R.I2

+ Re.Ie2 R.I

2.

La somme des pertes mcanique et des pertes magntiques sappelle pertes constantes (Pc).

5.2. Le rendement :

On appelle le rendement le rapport entre la puissance absorbe et la puissance utile :

La puissance absorbe : Cest la puissance lectrique absorbe par le moteur.

Pa = U.I

La puissance utile : Cest la puissance mcanique disponible sur larbre du moteur.

Le rendement scrit :

Pu = Pa Somme(pertes). Pu = Pa (Pc + Pj).

= Pu Pa

6. REVERSIBILITE DE LA MACHINE A COURANT CONTINU :

La loi de Faraday nonce que si un conducteur se dplace dans un champ magntique il est le sige dune fem (force lectromotrice) induite qui reprsente la variation du flux dans le temps travers cette spire.

De ce principe dcoule le fonctionnement en gnratrice de la machine courant continu.

Si larbre de la gnratrice est entrane en rotation, entre les bornes de linduit on peut mesurer une tension U proportionnelle la vitesse de rotation.

Une application trs connue de ce fonctionnement est la dynamo de la bicyclette.


7. ALIMENTATION DU MOTEUR :

Pour inverser le sens de rotation il suffit dinverser

1 la tension dalimentation du U

M moteur : selon la position

M des commutateurs 1 et 2 le

moteur tourne soit dans le sens 1 soit dans le sens 2.

2 Montage avec un seul sens de marche

Montage avec deux sens de marche

8. FONCTIONNEMENT A VITESSE VARIABLE :

On peut envisager plusieurs cas dans lesquels on a besoin de faire RV

fonctionner le moteur courant continu vitesse variable. Pour arriver ce rsultat, une mauvaise solution (mais qui est quand mme applicable dans certains application ou la notion de pertes nest pas primordiale) consiste mettre une rsistance variable en srie avec le

U

moteur. La vitesse maximale est atteinte en prenant RV = 0. M

Une deuxime solution consiste utiliser un hacheur. Dans ce cas laction sur le rapport cyclique permet de varier la valeur moyenne de la tension de commande et par la suite la variation de la vitesse de rotation du moteur.


Les caractristiques dune MCC excitation spare accouple une charge mcanique sont les suivantes :

Flux constant k = 4.8 ; rsistance dinduit R = 0.5 ; couple de pertes collectives Tp = 1 mN (constant quelque soit la vitesse) ; la charge mcanique accouple oppose un couple rsistant Tr de 10 mN 157.08 rad/s.

1. Calculer le courant de dmarrage (sans circuit de dmarrage) de la machine si la tension U=120v.

2. Calculer la FCEM E pour la vitesse 157.08 rad/s.

3. Calculer les pertes joules de la machine. En dduire le rendement.

CORRIGE :

1. ID = U/R AN ID = 240 A.

2. E = (k/2). = 0.764 x 157.08 AN E = 120 V. 3. Il faut tout dabord calculer le courant dinduit :

I = 2. .C/k AN I = 13 A. Donc Pj = R.I2 AN Pj = 85.6 W.

Pour calculer le rendement on doit tout dabord calculer la puissance absorbe : Pa = U.I AN Pa = 1560 W.

Calcul des pertes constantes :

Pc = Tp. AN Pc = 157.08 W. Donc = (Pa-Pc-Pj)/PaAN = 84.4 %


E X E R C I C E S N O N R E S O L U S Exercice 1 :

Une mthode pour freiner le moteur courant continu consiste le brancher sur une rsistance R. Cette

technique quon appelle freinage rhostatique permet dacclrer le freinage.

Donner un montage avec contacteurs permettant un dmarrage deux sens de marche avec un freinage

rhostatique. La console de commande contient 4 boutons poussoirs :

S1 : Marche sens 1.

S2 : Marche sens 2.

Fr : Freinage rhostatique.

Au : Arrt durgence (Couper lalimentation et laisser le moteur ralentir).

U M R

U M

Rotation Freinage

Exercice 2 : ETUDE DUNE MACHINE A COURANT CONTINU

Caractristiques

Inducteurs aimants permanents

Induit : rsistance R = 4,0 U I

constante de f..m. et de couple : k = 0,30 V.s.rad- 1

intensit nominale : In = 4,0 A

Les frottements ainsi que les pertes dans le fer seront ngligs.

M On notera en outre : Ce le moment du couple lectromagntique,

la vitesse angulaire de rotation,

n la frquence de rotation en tr/s,

E la FEM ; E = k ,

U la tension aux bornes de la machine,

1.1. Etablir l'expression du moment du couple lectromagntique,

1.2. Pour le courant nominal d'intensit In, calculer les valeurs numriques de la tension d'alimentation U et du moment du couple lectromagntique pour les frquences de rotation

a) n = O b) n = 50 tr/s

1.3 On applique sur larbre de la machine, un couple rsistant, de moment CR = 0, 80 N.m.

1.3.1. Quelle relation lie les moments des couples lectromagntique et rsistant en rgime permanent ?

1.3.2. Dterminer la relation exprimant en fonction de U, R, k et C R en rgime permanent. 1.3.3 A partir de quelle valeur de lintensit I, le moteur peut-il dmarrer ? Quelle est la tension U correspondante ?

1.4 Quelle tension U maximale doit-on simposer au dmarrage pour que lintensit Id de dmarrage demeure infrieure 1.25 In ?


LES MOTEURS PAS A PAS CHAPITRE 3

INTRODUCTION :

"Un moteur pas pas transforme des impulsions de commande en une rotation de n" pas du rotor : il permet donc un positionnement prcis sans boucle d'asservissement (via potentiomtre, codeur ...).

Pricipe de commande en position dun moteur courant continu

Principe de commande dun moteur pas pas

On constate que le systme est beaucoup plus simple. En effet, chaque impulsion du signal de commande

correspond au niveau du rotor un dplacement angulaire bien dfini appel pas .

Un moteur pas pas est caractris par sa rsolution ou encore son nombre de pas par tour. Il peut avoir une

valeur comprise entre 0,9et 90. Les valeurs les plus couramment rencontres sont : 0,9 : soit 400 pas par tour

1,8 : soit 200 pas par tour 3,6 : soit 100 pas par tour 7,5 : soit 48 pas par tour 15 : soit 24 pas par tour

La vitesse de rotation est fonction de la frquence des impulsions. On distingue 3 groupes de moteur pas pas :

les moteurs aimant permanent les moteurs reluctance variable les moteurs hybrides

1. Moteur aimant permanent:

1.1. Constitution : Un moteur aimant permanent comprend :

un rotor bipolaire constitu dun aimant permanent (partie mobile) un stator deux paires de ples (partie fixe)

1.2. Fonctionnement :

Les bobines diamtralement opposes constituent les phases. Elles sont connectes de faon crer un

ple Sud et un ple Nord. Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

Commande Ampli de Mcc position

puissance

Capteur de

position

Consigne

Commande Pilotage

Documents

[Cours] Capteurs Et Actionneurs en Instrumentation