Transcript Scénario :

Sciences Industrielles pour l’Ingénieur
CORDEUSE DE RAQUETTES SP55
COURS
Faut-il changer la commande du hacheur assurant la variation de
vitesse du MCC pour améliorer la précision de la cordeuse ?
TP série 5
Centre d’Intérêt 5 :
DISTRIBUER
l'énergie
Chaîne d'énergie
S23 Convertir l'énergie
S22 Distribuer et moduler l'énergie
Protocoles expérimentaux et réalisation S6 Protocoles expérimentaux
TD
S231 Actionneurs et préactionneurs associés incluant leur cde
S221 Moduler l'énergie (convertisseurs statiques d'énergie)
OBJECTIF DE LA SEANCE
Compétences attendues
Au terme de la séance, vous devez savoir :
— A3 (ANALYSER) : Appréhender les analyses fonctionnelle et
structurelle pour identifier les fonctions des chaînes
d'information et d'énergie et les constituants les réalisant ;
Analyser la réversibilité de la chaîne d'énergie (quadrants) et
l'effet de la commande sur le comportement de la chaîne
d'énergie ; A4 : Caractériser des écarts entre valeurs
attendues et mesurées ; A5 : Apprécier la pertinence et la
validité des résultats de mesure.
— B1 (MODELISER) : Identifier et caractériser les grandeurs physiques agissant sur un système pour associer les grandeurs
physiques aux échanges d'énergie et à la transmission de puissance ; décrire les évolutions temporelles des grandeurs.
— C1 & C2 (RESOUDRE) : Choisir et mettre en œuvre une démarche de résolution pour la détermination du point de
fonctionnement de l'actionneur et le signe des puissances échangées.
— D2 & D3 (EXPERIMENTER) : Proposer, justifier et mettre en œuvre un protocole expérimental pour choisir les
configurations matérielles du système en fonction de l'objectif visé, justifier le choix de la grandeur à mesurer, choisir et
mettre en œuvre les appareillages, mesurer les grandeurs potentielles / de flux et repérer leur sens de transfert.
Problème technique
Dans le cadre d’un renouvellement de gamme, vous cherchez à améliorer le service rendu par la cordeuse, en particulier la
précision de la tension de la corde. Vous décidez de réévaluer la fonction "Distribuer" de la chaîne d’énergie pour identifier ses
paramètres déterminants et la stratégie de commande du hacheur la plus appropriée.
Démarche, en gardant toujours à l'esprit que vous devrez présenter vos
résultats au reste de la classe :
I/ Identification
matérielle et analyse
fonctionnelle – 1er essai
et hypothèses
Durée : 15 min
II/ Analyse de
l'interface de
puissance et
stratégies de
commande possibles
30 min MAX
ATTENTION à la
gestion du temps
sur cette partie,
selon la qualité
de votre préparation
à domicile.
CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville
Démarche ingénieur dans ce TP : évaluer / réduire l'écart 1
III/ Observation
expérimentale des
signaux u(t) et i(t) de
la MCC –
Confrontation aux
hypothèses
IV/ Synthèse :
interprétation des
mesures et conclusion
45 min
15 min
En cas de retard au cours de la séance, vous devrez
vous répartir sur ces 2 tâches et adopter une
démarche collaborative.
-1-
I/ IDENTIFICATION MATERIELLE ET ANALYSE FONCTIONNELLE – 1ER ESSAI
1/ Présentation et observation du fonctionnement
Lire rapidement le "Dossier Technique Cordeuse.pdf", en particulier les pages 3 et 4.
La maquette instrumentée est la suivante :
Quelle instrumentation a été rajoutée au système
commercialisé, dont le synoptique figure p. 4 du
dossier technique ?
Pour étudier le comportement du convertisseur
statique de puissance, quelles variables de flux /
potentiel allez-vous mesurer ?
Placer la corde dans le mors de tirage, fixer une consigne de tension de 25 Kg et faire un essai. En quel régime de fonctionnement
(moteur / génératrice) travaille a priori la MCC ? Quelles sont les réversibilités nécessaires de la source et de la charge ?
2/ Architecture du système étudié et chaîne d'énergie
Compléter les éléments de la
chaîne d'énergie :
Le convertisseur statique de puissance
avec ses 4 transistors
Fonction
Energie (élec / méca) et
forme (= /  / translation /
rotation) en entrée
Energie et forme en
sortie
ALIMENTER
DISTRIBUER
CONVERTIR
TRANSMETTRE
II/ ANALYSE DE L'INTERFACE DE PUISSANCE ET STRATEGIES DE COMMANDE POSSIBLES
L'objectif de cette partie est de comparer les stratégies de commande unipolaire / bipolaire d'un hacheur 4 quadrants, à partir de
l'étude du schéma du convertisseur statique de la cordeuse.
1/ Analyse du schéma de l'interface de puissance
Le dossier technique fait apparaître le schéma figurant à la page suivante.
CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville
-2-
Entourer les composants réalisant les fonctions Communiquer et Distribuer.
Couple ou courant I
 
 
Quel nom porte la structure assurant la fonction Distribuer ?
Tension moy <u>
ou vitesse
Mettre en relation le comportement observé lors de l'essai précédent et les possibilités du
pont en H en complétant le tableau :
Quadrant 1
Quadrant 2
Quadrant 3
Quadrant 4
Vitesse variable
Comportement observé de
la MCC (oui/non)
Possibilités du pont en H
(oui/non)
V
K3
K1
u
I
K2
K4
Que la commande à vitesse variable nécessite une phase de roue libre (u = 0 ; commande
unipolaire) ou une phase de récupération (u = -V ; commande bipolaire), le convertisseur
convient-il ? Justifier.
Examiner la documentation des transistors MOS ("Doc interrupteurs MOS.pdf") et expliquer pourquoi ces stratégies de
commande peuvent en fait être utilisées ici.
2/ Les stratégies de commande possibles pour un hacheur 4 quadrants (2 quadrants seulement utilisés ici)
Il existe 2 possibilités de commande des transistors K1 à K4 :
Commande UNIPOLAIRE :
MARCHE AVANT
K1
K2
K3
Commande BIPOLAIRE :
MARCHE ARRIERE
ou
K4
K1
K1
K2
K3
K2
K3
K4
K4
T T
T T
Pour chaque mode de commande :
— Tracer l'allure de la tension u(t) aux bornes du moteur, sachant que l'alimentation est V.
u(t)
u(t)
u(t)
V
V
V
T T
-V
ou
T T
T
T T
-V
CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville
T
-V
-3-
UNIPOLAIRE
BIPOLAIRE
— En déduire l'expression de la valeur moyenne <u> de la tension u(t).
— En commençant toujours par raisonner sur le signe de la tension, tracer le trajet du courant dans chaque situation, en supposant
qu'il n'y a qu'un fonctionnement moteur :
MARCHE AVANT
MARCHE ARRIERE
MARCHE AVANT
MARCHE ARRIERE
entre 0 et T
entre 0 et T
entre 0 et T
entre 0 et T
entre T et T
entre T et T
entre T et T
entre T et T
Bien que ce ne soit pas a priori utile pour la cordeuse, le fonctionnement de la MCC en génératrice est-il possible avec les 2
commandes ? Par où passerait le courant dans les situations suivantes :
MARCHE AVANT
MARCHE ARRIERE
MARCHE AVANT
MARCHE ARRIERE
— Quelle est l'excursion de  pour obtenir les 2 sens de rotation ?
3/ Comparaison
Quelle est la meilleure stratégie de commande en termes d'ondulation (voir cours au besoin) ?
Quelle est la meilleure stratégie de commande en termes de continuité du couple à basse vitesse ?
III/ OBSERVATION EXPERIMENTALE DES SIGNAUX u(t) et i(t) DE LA MCC –
CONFRONTATION AUX HYPOTHESES DU I/
L'objectif de cette partie est de visualiser les signaux tension / courant de la MCC, et d'en conclure les quadrants de
fonctionnement et la validité de la stratégie de commande pour la variation de vitesse.
1/ Protocole expérimental
Proposer un protocole de mesure qui vous permette d’identifier la stratégie de commande choisie par le constructeur.
APPELER LE PROFESSEUR POUR FAIRE VALIDER VOTRE PROTOCOLE
Comment peut-on mesurer la tension moyenne <u>, afin de valider l'expression théorique <u> = ±  . V ?
2/ Visualisation des quadrants
Installer les appareils de mesure en tenant compte de la connexion du
moteur par rapport au bornier disponible :
CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville
M
=
-4u > 0 à l'aller
Connecter l'oscilloscope au PC et lancer "Open Choice Desktop" ; établir la liaison.
Mettre votre protocole en œuvre. Dans quels quadrants fonctionne la MCC ? Imprimer le tracé.
3/ Visualisation des signaux u(t) et i(t)
Modifier la base de temps, puis refaire les essais dans les 2 sens de fonctionnement du chariot. Les signaux sont-ils conformes à ce
que vous attendiez ?
On voit que le courant revient à 0 avant la fin d'une période. On est alors en conduction discontinue, et le réglage de la vitesse ne se
fait plus par le rapport cyclique de la tension.
Donner 2 moyens de résoudre ce problème.
—
APPELER LE PROFESSEUR POUR FAIRE VALIDER VOS SOLUTIONS
—
Placer l'inductance disponible (secondaire d'un transformateur) en série avec l'induit du moteur. Refaire les mesures. Les signaux
sont-ils conformes à la théorie ?
4/ Réglage de la vitesse
Mesurer la tension moyenne <u> lors d'un déplacement ; est-elle conforme à la théorie ?
En passant aux valeurs moyennes la loi des mailles sur l'induit, démontrer qu'en régime permanent et périodique, la vitesse est
directement proportionnelle à la tension moyenne <u> si la résistance d'induit est négligeable.
IV/ SYNTHESE : INTERPRETATION DES MESURES ET CONCLUSION
Lister les avantages / inconvénients de la stratégie de commande choisie par le constructeur de la cordeuse (critères d’ondulation de
courant, mise en œuvre (facilité d'inversion rapide de la tension et du courant), coût), et proposer une amélioration facile à mettre en
œuvre.
Quelles sont les conséquences possibles d’une forte ondulation de courant sur un système ? La situation est-elle envisageable ici ?
(comparer les dynamiques électrique et mécanique de la cordeuse).
Réponse au problème technique initial : la fonction Distribuer a-t-elle un impact sur la précision de la tension de la corde ?
CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville
-5-