Réversibilité énergétique_transstockeur

14/01/2013
Auteurs : Régis Dumestre
Publication 3EI
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:1970-:3362
DOI :

Résumé

Résumé : cet article vise à présenter une fiche d'essai de système portant sur le thème 5 (réversibilité énergétique) du référentiel de STS électrotechnique. Très répandu dans les établissements, le système exploité est le transstockeur, et plus particulièrement son sous-système axe Z (levage).


Réversibilité énergétique_transstockeur

Métriques

3857
230
1.06 Mo
 application/pdf
bitcache://cf484c689b9aec75891fae3a20a6762da8d75279

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/1044:1970-/3362</identifier><creators><creator><creatorName>Régis Dumestre</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>Réversibilité énergétique_transstockeur</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2013</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Mon 14 Jan 2013</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
            <date dateType="Submitted">Fri 20 Apr 2018</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">cf484c689b9aec75891fae3a20a6762da8d75279</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>7111</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract">Résumé : cet article vise à présenter une fiche d'essai de système portant sur le thème 5 (réversibilité énergétique) du référentiel de STS électrotechnique. Très répandu dans les établissements, le système exploité est le transstockeur, et plus particulièrement son sous-système axe Z (levage).
</description>
        </descriptions>
    </resource>
.

Etude de la réversibilité énergétique dans une application de levage (système transstockeur) Régis DUMESTRE Enseignant de Génie Electrique Lycée Robert Doisneau de Corbeil-Essonne (91) Académie de Versailles regisdumestre@gmail.com Résumé : cet article vise à présenter une fiche d'essai de système portant sur le thème 5 (réversibilité énergétique) du référentiel de STS électrotechnique. Très répandu dans les établissements, le système exploité est le transstockeur, et plus particulièrement son sous-système axe Z (levage). 1 Positionnement de l'activité Le choix de ce système comme support de l'activité se justifie par la technologie des constituants mis en œuvre : − machine à courant continu, − hacheur, − redresseur non commandé, − transformateur monophasé, qui ont été vus en cours de sciences appliquées avant ou pendant le déroulement des séries 5 et 6 d'essais de systèmes ainsi que par la découverte préalable de l'entraînement électrique, des actionneurs électromécaniques et de la chaîne de commande moteur en génie électrique. Notons également que les notions abordées simultanément en construction mécanique (description des chaînes d'action et leur comportement cinématique) seront fort utiles. Les séries 5 et 6 font l'objet d'une introduction préalable visant notamment à faire le point sur les solutions constructives d'alimentation moteur avec fonction de variation de vitesse les plus couramment rencontrées. Les étudiants approcheront à cette occasion la structure employée sur le système (Cf. figure 1) : Figure 1 : structure mise en oeuvre 2 Consignes Les deux enseignants (SA et GE) sont présents au laboratoire d'essais de systèmes au cours des 4h d'activité en classe entière. Les TP (x6) des thèmes 5 et 6 sont conduits simultanément selon une organisation tournante, conformément à ce qui est préconisé dans les « repères pour la formation ».. 2.1. Compétences visées C01 : Analyser un dossier C04 : Rédiger un document de synthèse C06 : Respecter une procédure C10 : Réaliser les représentations graphiques nécessaires C17 : Mettre en œuvre des moyens de mesurage C18 : Interpréter des indicateurs, des résultats de mesure et d’essais C19 : Identifier les paramètres de réglage C20 : Régler les paramètres C31 : Intervenir sur une installation 2.2. Objectifs du TP Analyser le fonctionnement d’un variateur de vitesse. Relever et analyser les grandeurs électriques caractéristiques du fonctionnement du hacheur. Etudier la réversibilité de ce convertisseur d'électronique de puissance. Déterminer le rôle du module de freinage associé. 2.3. Ressources à disposition Le dossier technique du système sur un environnement numérique de travail (ENT). Les appareils de mesure du laboratoire. Le système « transgerbeur » et son axe Z. 2.4. Critères d'évaluation Attitude, discipline. Autonomie du binôme dans la recherche et dans l’exploitation des documents. Collaboration et répartition des tâches au sein du binôme. Mise en œuvre du système technique étudié. Choix et utilisation des appareils de mesure. Qualité du compte rendu : − présentation et rédaction, − exploitation des relevés (commentaires et justifications), − qualité des réponses attendues (synthèse). 2.5. Travail à rendre en fin de séance Un compte rendu par binôme sur feuille double, rédigé, propre, souligné et écrit au stylo !!!! Seuls les schémas ou croquis de câblage peuvent être réalisés au crayon à papier. Chaque numéro de question doit être repris pour en faciliter la lecture. Les relevés sont collés ou agrafés. Un texte de TP est à rendre non dégrafé avec les documents réponses complétés. 3 Présentation générale Figure 2 : synoptique du transstockeur 3.1. Introduction au travail à effectuer Problématique : le déplacement de la charge selon un axe Z nécessite que l'énergie soit founie au système mais aussi restituée par ce dernier. Dans quelle mesure la chaîne d'alimentation en énergie mise en oeuvre sur le transstockeur autorise-t-elle ce transfert bi- directionnel ? Pour répondre à cela, vous allez devoir analyser le fonctionnement de la chaîne d'alimentation en énergie de la machine à courant continu utilisée pour motoriser l'axe Z (levage) du système. Dans un premier temps vous allez étudier le fonctionnement du hacheur 4 quadrants associé à la MCC. puis vous contrôlerez la capacité de ce convertisseur à être réversible et enfin justifierez l’utilisation d’un module de freinage. 3.2. Présentation d'un convertisseur AC-DC Figure 3 : structure de la chaîne d'alimentation de la MCC motorisant l'axe Z Rôle des constituants : Transformateur : adapter le niveau de tension du réseau à celui de l'application Pont de diodes : convertir une grandeur électrique alternative pure en une grandeur électrique principalement continue. Module de freinage : dissiper l’énergie restituée par la MCC lors d’un fonctionnement en génératrice Hacheur 4 quadrants : adapter les caractéristiques des grandeurs électriques appliquées à la MCC ou générées par celle-ci. 3.3. Fonction globale du hacheur 4Q Figure 4: fonction globale du hacheur 4 quadrants Pour être plus précis, le hacheur est un convertisseur DC/DC qui permet de contrôler la tension moyenne appliquée aux bornes du moteur. Cette structure peut être réversible énergétiquement. 4 Principe de fonctionnement du hacheur 4.1. Notion de « quatre quadrants » Un hacheur 4 quadrants peut fonctionner dans les 4 quadrants sur le plan IM=f(E) ou C=f(Ω) (Cf. figure 5). Figure 5 : quadrants de fonctionnement Il est alors composé de 4 interrupteurs statiques et de 4 diodes (Cf. figure 6). Figure 6 : structure du hacheur 4 quadrants 4.2. Allure des signaux (VM(t) et IM(t)) Fonctionnement dans les quadrants 1 et 4 (Cf. figure 7) : Remarque : T est la période et α le rapport cyclique de commande des interrupteurs. T4 est toujours fermé, T1 et T3 ont des commandes complémentaires. Si IM>0 et que VM=V3 alors le courant passe dans T1 et T4. Si IM >0 et que VM=0 alors le courant passe dans D3 et T4. Si IM <0 et que VM=V3 alors le courant passe dans D1 et D4. Si IM <0 et que VM=0 alors le courant passe dans T3 et D4. Figure 7: fonctionnement dans Q1 et Q4 Fonctionnement dans les quadrants 2 et 3 (Cf. figure 8) : Remarque : T est la période et α le rapport cyclique. T3 est toujours fermé, T2 et T4 ont des commandes complémentaires. Si I>0 et que VM=-V3 alors le courant passe dans D2 et D3 Si I>0 et que VM=0 alors le courant passe dans D3 et T4. Si I<0 et que VM=-V3 alors le courant passe dans T2 et T3. Si I<0 et que VM=0 alors le courant passe dans T3 et D4. Figure 8 : fonctionnement dans Q1 et Q4 Expression de la valeur moyenne : 5 Etude du variateur de vitesse 5.1 Solutions constructives Q1 : À partir des schémas électriques et des documents constructeurs fournis donner la fonction des cartes erbeur est-il équipé de 3 cart s de type MSM0608 ? Co cti MSMN06-0.3 et MSM0608. Pourquoi le système transg e rre on : - la carte MSMN0603 est un convertisseur nvertisseur rtes permet de gérer les trois moteurs du système. AC/DC (pont redresseur) - La carte MSMN0608 est un co DC/DC variable (hacheur 4 quadrants) - La présence de trois ca Q2 : Sur le « document réponse n°1 » localiser les cartes MSMN06-0.3 et MSM0608 et identifier les éléments suivants : transformateur de puissance, pont redresseur, résistance de freinage, hacheur 4 quadrants. Correction : 5.2 Manipulation n°1 : étude des formes d'ondes Q3 : Raccorder les appareils de mesure permettant de : visualiser la tension et le courant en sortie du hacheur (Axe Z). visualiser la vitesse de rotation du moteur (Axe Z). Q4 : Proposer et justifier les réglages des appareils de mesure. Remarques : la fréquence du découpage du hacheur est de 14,5kHz. La référence du moteur est MSS-4. Correction : Sur la documentation constructeur du moteur on relève : UN=67V et IN=7,8A. Sur la documentation de la dynamo-tachymétrique on relève : UTachy = 10 mv/tr/min. Nous utiliserons pour les relevés un oscilloscope Scopix avec sondes différentielles intégrées. Nous utiliserons une sonde de courant 10mv/A Q5 : Votre relevé doit faire apparaitre la tension et le courant en sortie du variateur (visualisation de 3 ou 4 périodes). Remarque : pour la mise en œuvre du système utiliser le « document ressource n°1 ». Le programme automate « transgerbeur1 » est disponible dans l'ENT. Correction : «tension-courant-vitesse moteur en phase de montée pour α=α1 » Exploitation : Q6 : Donner les valeurs moyennes de la tension moteur en phases de montée et de descente (VMmax et VMmin), les valeurs de la fréquence de découpage (Fd), du rapport cyclique(α) et relever la vitesse de rotation de la MCC. Q7 : Sur votre relevé, indiquer sur une période les semi-conducteurs passants ou bloqués. Correction Q6 et Q7 : La tension de hachage VH= 60V en montée et VH= - 60V en descente non représentée ici. La fréquence de découpage Fd=14,5 Khz avec un rapport cyclique(α)=0,33. La vitesse N=600tr/min. Si VM= 60V et IM>0 alors T1 et T4 sont passants. Si VM= 0V et IM>0 alors T4 et D3 sont passants. 5.3. Manipulation n°2 : étude de l'influence de l'angle « α » sur la vitesse Q8 : Mettre en oeuvre le système avec le programme transgerbeur n°2. Visualiser la tension et le courant aux bornes du moteur (Axe Z) (3 ou 4 périodes). Visualiser la vitesse (Axe Z). Imprimer vos résultats Correction : Exploitation : Q9 : Relever la tension moteur en montée (VMmax), la fréquence de découpage (Fd), le rapport cyclique(α), et la vitesse de rotation de la MCC. Q10 : Quel est le paramètre modifié par le hacheur, par rapport à la manipulation précédente ? Quel effet a-t- il ? Correction Q9 et Q10 : La tension de hachage VH= 60V en montée et VH= - 60V en descente non représentée ici. La fréquence de découpage Fd=14,8 Khz avec un rapport cyclique(α)=0,65. La vitesse N=1800tr/min. Si VM= 60V et IM>0 alors T1 et T4 sont passants. Si VM= 0V et IM>0 alors T4 et D3 sont passants. On peut s’apercevoir que la fréquence de hachage reste constante. En revanche le rapport cyclique est largement modifié ce qui permet de contrôler la vitesse de la machine. Le réglage de α nous permettra de contrôler la vitesse du déplacement. Rappel : = VH× α = KΩ si la résistance d’induit est négligée. 6 Nécessité d'une réversibilité énergétique 6.1. Analyse du fonctionnement en génératrice Q11 : Compléter les documents réponses n°2 (phase de montée) et n°3 (phase de descente) en précisant les quadrants de fonctionnement, les signes de et , le sens de transfert de l’énergie et le sens de circulation du courant IM. Correction DR n°2 (phase de montée, fonctionnement en génératrice de la MCC) : Q4, > 0, Im < 0, P < 0 Correction DR n°3 (phase de descente, fonctionnement en moteur de la MCC) : Q3, < 0, Im < 0, P > 0 Correction DR n°3 (phase de descente, fonctionnement en génératrice de la MCC) : Q2, < 0, Im > 0, P < 0 Q12 : Pour le fonctionnement en génératrice de la MCC (quadrants 2 et 4) indiquer sur le schéma ci- dessous le sens de parcours du courant. Figure 9 :constituants de la chaîne d'alimentation Correction : Q13 : Que fait alors le condensateur dans ce cas ? Comment évolue la tension à ses bornes ? Y-a-t-il un danger ? Correction : Quand la MCC fonctionne en génératrice, le condensateur se charge et la tension à ses bornes augmente. Il faut donc procéder à sa décharge afin de ne pas le détériorer. Q14 : En déduire alors le rôle du module de freinage placé à ses bornes. En préciser le fonctionnement possible. Correction : Le module de freinage va permettre de dissiper l’énergie restituée par la MCC si celle-ci fonctionne en génératrice, afin d’éviter la destruction du condensateur. 6.2. Manipulation n°3 : analyse de la réversibilité Q15 : Toujours en utilisant le fichier « transgerbeur n°2 » : Visualiser le courant (Calibre à 500mV/div centré au milieu de l’écran) Visualiser la tension (Calibre à 2V/div centrée au milieu de l’écran) Base de temps 1s/div Correction : «tension-courant moteur en phase de montée et de descente pour α=α2 » Q16 : Passer en mode XY et visualiser les quadrants de fonctionnement de la machine en montée, puis en descente. Imprimer votre résultat. Exploitation: Q17 : Sur les relevés, tracer les axes et indiquer les quadrants de fonctionnement correspondants aux phases de montée et de descente. Correction Q16 et Q17 : «tension-courant moteur en phase de montée et de descente pour α=α2 en mode XY » 6.3. Manipulation n°4 : analyse du fonctionnement du module de freinage Placer la charge de 10kg Q18 : Toujours en utilisant le fichier « transgerbeur n°2 » : Visualiser la tension aux bornes de la résistance de freinage (Axe Z) (1V/div). Visualiser la vitesse de rotation du moteur (Axe Z) (1V/div). Base de temps 1s/div. Imprimer vos résultats. Correction : «tension moteur et tension sur résistance de freinage en phases de montée et de descente pour α=α2 » Exploitation : Q19 : indiquer quelles sont les phases de renvoi d’énergie (fonctionnement de la MCC en génératrice) ? Correction : la phase de renvoi d’énergie est ici clairement identifiable : phase de descente. Q20 : valider alors le principe de fonctionnement du module de freinage énoncé précédemment. Correction : le module de freinage permet donc de dissiper cette énergie. 7 Synthèse Figure n° 10 : réversibilité des constituants Q21 : Sur le schéma ci-dessus indiquer les constituants réversibles et ceux qui ne le sont pas. Q22 : Quel est alors l’élément à associer à un hacheur 4Q pour dissiper l’énergie si la machine électrique fonctionne en génératrice ? Proposer une méthode visant à le dimensionner. 8 Conclusion Cet essai système est réalisé en fin de second semestre de première année. Il semble que les notions sur le principe de fonctionnement du hacheur ne sont pas parfaitement maitrisées des étudiants. Pour le bon déroulement de ce TP il est important : - Qu’une approche conjointe soit privilégiée entre le cours de physique appliquée et d’essais de système. - De réaliser une séance de lancement afin d’introduire les notions fondamentales du hacheur. 9 Annexes Document réponse n°1 Document réponse n°2 ETUDE DE LA PHASE DE MONTEE Fonctionnement en moteur Fonctionnement en générateur Quadrant de fonctionnement : ……1……. Quadrant de fonctionnement : ……………. Signe de : ……>0……. Signe de IM : ……>0……. Signe de : ……………. Signe de IM : ……………. Sens de transfert → (P>0) Sens de transfert ………………………………….. Sur intervalle [0,αT] T1 T3 T2 T4 D1 D2 D3 D4 M VM V3 IM Sur intervalle [0,αT] T1 T3 T2 T4 D1 D2 D3 D4 M VM V3 IM Sur intervalle [αT, T] T1 T3 T2 T4 D1 D2 D3 D4 M VM V3 IM Sur intervalle [αT, T] T1 T3 T2 T4 D1 D2 D3 D4 M VM V3 IM Document réponse n°3 ETUDE DE LA PHASE DE DESCENTE Fonctionnement en moteur Fonctionnement en générateur Quadrant de fonctionnement : ……………. Quadrant de fonctionnement : ……………. Signe de : ……………. Signe de IM : ……………. Signe de : ……………. Signe de IM : ……………. Sens de transfert ………………………………….. Sens de transfert ………………………………….. Sur intervalle [0,αT] T1 T3 T2 T4 D1 D2 D3 D4 M VM V3 IM Sur intervalle [0,αT] T1 T3 T2 T4 D1 D2 D3 D4 M VM V3 IM Sur intervalle [αT, T] T1 T3 T2 T4 D1 D2 D3 D4 M VM V3 IM Sur intervalle [αT, T] T1 T3 T2 T4 D1 D2 D3 D4 M VM V3 IM Document ressource n°1 : présentation des grafcets mis en œuvre dans les activités. 0 AutoAuto 110ModemanuModeAuto GrafcetManuAuto AutoAuto 20 21 GrafcetMarchemanu X1 3040 X1 Déverrouillerl’axeX Fdc_y_ar.[(Bp_x_av.Fdc_x_d)+(Bp_x_ar.Fdc_x_g)] DéplacerenX+ S_ana_0=3000 DéplacerenX- S_ana_0=-3000 (Bp_x_av.Bp_x_ar)(Bp_x_ar.Bp_x_av) Déverrouillerl’axeY DéplacerenY+ S_ana_0=2000 DéplacerenY- S_ana_0=-2000 (Bp_y_av.Bp_Y_ar)(Bp_y_ar.Bp_y_av) (Bp_y_av.Fdc_y_av)+(Bp_y_ar.Fdc_y_ar) Déverrouillerl’axeZ Déverrouillerlefrein DéplacerenZ+ S_ana_0=2000 DéplacerenZ- S_ana_0=-2000 (Bp_z_m.Bp_z_d)(Bp_z_d.Bp_z_m) Fdc_y_ar.[(Bp_z_m.Fdc_z_h)+(Bp_z_d.Fdc_z_b)]