Elèves de TSTI Mécanique...de très bons blogs de philosophie sont présents sur l'internet...je vous conseille ( de nouveau ) celui-là: le labyrinthe
 

Il est animé et très suivi par son auteur Jérôme Coudurier,  professeur de philosophie.

De nombreux sujets sont abordés, ainsi qu'une étude des auteurs ...le tout avec une approche résolument moderne et attrayante


Celui-ci aborde plus particulièrement les relations entre la philo et la sciences : philoscience

par ses deux auteurs:  Jean-Paul Baquiast et de Christophe Jacquemin

comme promis, voici la dernière révision avant l'épreuve...

L'alternateur et l'onduleur sont deux convertisseurs fournissant une tension alternative hors réseau EDF...ils sont donc utilisés en général pour assurer cette fourniture sur des systèmes mobiles.

exemples connus:

alternateurs sur les avions, les bateaux et aussi sur les automobiles

onduleurs dans les caravanes et les camping-cars, onduleurs de sauvegarde informatique

L'onduleur:

a) sa construction et son principe de base:

c'est une machine à conversion mécanoélectrique
elle reçoit de la puissance mécanique et la convertit en puissance électrique

voir ma figure ci-dessous...plus bas...

entraîné par un moteur auxilliaire (moteur de la voiture par exemple), un rotor aimanté ( champ magnétique B à 2p pôles) tourne à l'intérieur d'un stator bobiné

le flux magnétique F reçu par chaque bobine du stator est donc variable en fonction du temps au cours de cette rotation ==> apparition d'une tension dite aussi fem (force électromotrice) aux bornes de ces bobines

des calculs (hors programme de la STI GM) montrent que e est de la forme  e = Ê.cos wt

 w est la pulsation de la fem   qui vaut  w = pW    avec
 p= nombre de paires de pôles du rotor   W = vitesse angulaire de rotation du rotor
 Ê est l'amplitude de cette fem,  de valeur efficace E    E = Ê /rac(2)
 
des mesures de la tension à vide  efficace uv *de l'alternateur tournant montrent que Ê et E sont proportionnelles à W ... et au champ magnétique B du rotor

* uv = E puisqu'à vide il n'y a pas de courant débité

écrivons donc, par exemple en valeur efficace  uv = E = k.W qui donnera Ê = k.W.rac(2)
   
 k est  une constante de construction de l'alternateur dépendant de son nombre de spires au stator et de leurs dimensions (entre autres) et du champ magnétique tournant B du rotor

figure résumant les propriétés essentielles de l'alternateur ( ici monophasé)



vous remarquerez que toute augmentation de vitesse se traduit par une augmentation de la fem Ê et par une diminution de la période T (augmentation de la fréquence )

à retenir: la vitesse angulaire de rotation du rotor intervient sur deux termes E et W
              E est proportionnel à W et au champ tournant B
              le nombre de paires de pôles p du rotor intervient sur la w

prenons un exemple de petits calculs à bien maîtriser concernant la fem:

soit un alternateur à 4 pôles au rotor et deux bobines en série et face à face au stator (alternateur monophasé)

on relève la loi de proportion  E = 240V  pour 1500 tour/min

calculer la constante k:

écrire W = pi.n/30  donc k = E.30/pi.n  soit A.N.: k = 1,53 V.s  et W = 157 rad/s

calculer la fréquence f de la fem:

la fréquence f est liée à la pulsation w par f = w /2pi  or w est elle même liée à la fréquence angulaire de rotation par w = p.W  où p est le nombre de paires de pôles du rotor

ici 4 pôles donc p = 2

on a donc  f = p.W/2pi soit   A.N.:  f = 2.157/2pi qui donne f = 50 Hz

b) l'onduleur en charge

l'onduleur est fait pour alimenter une charge utile en courant et en tension, par exemple, un alternateur de chantier qui alimentera des éclairages et des machines...

pour calculer l'intensité efficace I du courant alimentant la charge et la tension efficace U il faudra considérer le circuit suivant:



dans lequel  R est la résistance interne des enroulements du stator
                  X = Lw est la réactance de ces enroulements ( nous sommes en régime sinus !)
                  Z est l'impédance propre de la charge
                  et E' une fem propre à la charge

ce n'est pas toujours simple à résoudre !

en STI GM ce sont des cas simples qui sont proposés, en général

exemple: U et I sont fournies  dans le texte, ainsi que le déphasage phi entre elles( imposé par la charge)  et l'on demande, à partir des valeurs de R et de L de calculer  la valeur de la fem E nécessaire

en écrivant la loi vectorielle des mailles:

vecteur U = vecteur E - vecteur RI - vecteur XI

on tire :

vecteur E = vecteur U + vecteur RI + vecteur XI

cela donne le diagramme de Fresnel suivant:




le cas particulier R = 0 est très fréquent (on considère que les enroulements sont des inductances parfaites

il y a deux types de solutions qui sont demandées: algébriques ou graphiques

la solution algébrique: on écrit  sur l'axe vertical Ey = XI + Usin phi
                                             sur l'axe horizontal Ex = Ucos phi

enfin on applique Pythagore E² = Ex² + Ey²

la solution graphique: il suffit de faire à l'échelle demandée la mesure de E

prenons un exemple pour la solution algébrique:

soit une charge dont on désire que U = 120V, et I = 2A avec cosphi = 0,5

quelle est la valeur de E que doit imposer un alternateur 4 pôles tournant  à 1000 tour/min
et dont le R = 0 et l'inductance L= 0,1H

- calculons X:   w = p.W = p.pi.n/30   A.N.:  p= 2 donc  w = 209 rad/s   ( f = 33,3 Hz)

                      d'où X = Lw = 20,9 ohms

- calculons XI: XI = 41,8879 ~42 V

- calculons sin phi    si cos phi = 0,5  sin phi = rac² ( 1 - cos²phi) = 0,866

- calculons Ey:  Ey = 42 + 120.0,866 = 145,92 ~ 146V
                      Ex = 120.0,5 = 60V

- enfin passons au résultat terminal:  E² = 146² + 60²  ==> E = 157,84 ~158V

 l'alternateur doit donc fournir une fem de 158 V

le lecteur en ligne s'amusera à vérifier graphique cette solution en prenant comme échelle 10V/cm

voilà donc l'essentiel est dit..à vous jouer "au cas où !!!"

passons à l'onduleur...

l'onduleur

ce n'est pas une machine comme l'alternateur, mais un dispositif de commutation électronique

il doit être absolument alimenté en tension continue Uo

cette tension continue U) provient:

- soit d'un redresseur couplé au réseau...c'est le cas des onduleurs de sauvegarde informatique
- soit d'un accumulateur ou d'une pile ... dispositifs mobiles

c'est fait comment ? je le rappelle il faut disposer de commutateurs commandés

il existe en fait deux schémas principaux:

- le dispositif va et vient à deux commutateurs sur point milieu + 2 pôles

- le pont 4 commutateurs sur 2 pôles

je propose d'étudier d'abord le cas de l'onduleur sur charge passive:

voici les schémas :

 


on voit que l'alternance des ouvertures et fermetures des commutateurs entraîne deux situations pour la tension aux bornes de la charge

U = Uo   ou  U = -Uo   avec Uo = tension de la la source

pour les charges passives, cette inversion de tension entraîne une inversion de courant

I AB = I   ou   I AB = -I

voici  le diagramme en concordance des temps pour chacun des deux montages:

attention, ce diagramme comprend la forme de la tension uAB et les commutateurs dans leur état respectif ( ouvert ou fermé ) pour chaque demi-cycle de commutation


pour terminer cette présentation de l'onduleur, sachez qu'on pose très souvent la question du composant servant de commutateur commandé...le plus adapté est le transistor

avec la base B pour recevoir la commande de fermeture ou d'ouverture

le collecteur C  pour recevoir le courant  d'intensité I provenant des sources Uo

et l'émetteur E  pour l'évacuer

ci-dessous le symbole du transistor npn




 voilà j'ai tout dit, ou plutôt redit ...alors bon courage à tous  

                                                                                     JIM   (jmb)

                             le Hacheur Série

                            (ou modulateur rectangulaire à largeur variable)

      dispositif destiné à piloter la vitesse de rotation d'un moteur CC


                                 rédaction en cours depuis ce matin 17 Juin 8h40

l'article comprendra plusieurs parties distinctes

1) rappel sur le moteur CC
2) pilotage en vitesse du moteur CC
3) comment faire varier une tension
4) le principe du Hacheur Série
5) l'intégration du Hacheur dans un circuit d'induit
6) un petit problème niveau TSTI GM


mon code de couleur:

violet: texte et commentaires
marron: pièces et dispositifs
bleu: grandeur physique
vert: formules
orange: raisonnements
rouge: à retenir




1)moteur à courant continu, c'est fait comment ?

vous connaissez tous le moteur à courant continu constitué de 3  parties:

- l'inducteur (stator) ou "excitation" qui est alimenté en courant continu constant pour créer un champ magnétique B constant (en tesla T) et fixe entre ses pièces polaires ( établissement des lignes d'un flux magnétique entre les pôles N et S de l'inducteur)  figure ci-dessous:


- l'induit (rotor) qui est lui aussi alimenté  par une autre source de tension continue U (en volt V) et dont les brins actifs sont traversés par  un courant continu d'intensité I (en ampère A)
 
- le jeu de contacts mobiles  (frotteurs-lames de collecteur) qui permet d'alimenter en courant l'induit au cours de sa rotation

voir figure ci-dessous le rôle de ce jeu  de contact en liason avec l'induit  ( qui tourne !)



commentaire: les sources de tension de l'inducteur et de l'induit sont parfois...

communes: inducteur et induit ( excitation série qui fournit un fort moment de couple)

parfois séparées: excitation dite "indépendante"

les démarreurs de voiture sont à excitation série, les moteurs CC de robot et d'automatisme sont à excitation indépendante


vous savez tous que l'interaction entre B et I est à l'origine d'un moment de couple électromagnétique Mem (en N.m)  (Tem dans certains cours) proportionnel à I donc  de la forme:

                                                  Mem = kI          (ou Tem =KI)

vous avez tous compris que la vitesse de rotation "oméga"  W ( rad.s) entraînée par ce couple est à l'origine d'une fem d'induction E ( en volt V) proportionnelle à cette vitesse

                                                   E = kW

vous avez appris aussi que l'ensemble des brins actifs du rotor et des contacts mobiles présentait au courant I  une résistance R ( en ohm bien sûr)

certains ont aussi remarqué dans mes cours que la constante k pouvait aussi s'écrire

                                                 k = K.PHI

ou PHI est le flux inducteur ( en weber Wb) et K la constante d'induit ( dite aussi d'Arnold)

en tous cas, vous avez tous retenu qu'il existe entre les grandeurs précédentes une relation fondamentale qui est:  

                  U = E + RI   ou aussi U = kW  + R.Mem/k ou encore:


                                  U = (K.PHI)W + R.Mem/(K.PHI)


     que j'appelle " caractéristique électro-mécanique de l'induit "


vous savez tout ça...

donc, passons au principe du pilotage en vitesse


2) pilotage en vitesse, qu'est-ce que c'est ?


j' écris de nouveau la relation caractéristique:

                                   U = kW  + R.Mem/(KPHI)

qui donne une courbe dite de réponse (vitesse, tension) ...voir ci-dessous

  Ud est la tension de démarrage, valeur minimale qu'il faut appliquer pour "décoller" l'induit

  et  1 /(K.PHI) est le coefficient directeur de cette courbe

 remarque:

- la vitesse angulaire W (oméga) est une relation affine de la tension

- plus le moment du couple électromagnétique est fort, plus la tension de démarrage doit augmenter

- plus le flux diminue, plus le coefficient directeur augmente ( attention, phi ne doit pas s'annuler! sinon...survitesse dangereuse de la rotation)

ainsi: pour piloter la vitesse, moyennant la connaissance des paramètres PHI et Mem, il suffit d'agir proportionnellement sur la tension U


3) mais comment agir sur la tension U ?

agir sur une tension peut se faire par deux dispositifs

- commande directe de l'alimentation à courant fort : rhéostat dit "de démarrage"
c'est une résistance de forte puissance interposée dans le courant d'induit ...en agissant sur son curseur on crée une variation de tension U...problème: la commande n'est pas linéaire

- commande électronique à courant faible agissant sur un interrupteur placé dans le courant d'induit: hacheurs et variateurs d'onde de redressement

ces deux  dispositifs agissent sur le signal de tension u(t) et sur sa valeur moyenne U =<u>
mais seul le hacheur, qu'on va présenter ci-dessous dans quelques lignes, est à commande linéaire

remarque: si par malchance vous deviez passer l'oral de rattrapage en Sciences Physiques, sachez bien rappeler et expliquer ce dernier point:

le Hacheur est un variateur de tension à commande linéaire par courant faible...
 
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