Study guide: Capteurs et actionneurs électriques

📋 Course Outline

1. Systèmes électrotechniques industriels
2. Machines électriques et fonctionnement
3. Machine à courant continu
4. Commande de la machine à courant continu
5. Machine synchrone et autopilotage
6. Machine asynchrone et glissement
7. Commande de la machine asynchrone
8. Charges, inertie et réducteurs
9. Charges industrielles et démarrage

📖 1. Systèmes électrotechniques industriels

★ Must-know

• Un processus industriel comprend:

  • un convertisseur électronique de puissance
  • un actionneur électrique
  • une charge
  • un équipement de commande

• La définition doit tenir compte de: l’application industrielle, l’environnement de fonctionnement, l’impact de la conversion sur cet environnement

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• Les caractéristiques physiques de la charge, notamment le régime permanent ou dynamique, l’inertie, le jeu et les raideurs, déterminent la puissance de dimensionnement et les caractéristiques de l’actionneur.

• L’environnement d’un actionneur comprend des aspects physiques, électriques, de communication et de qualité, notamment la maintenance, la facilité d’exploitation et les performances économiques.

💡 Memory Hook

Charge → actionneur → convertisseur → commande

📖 2. Machines électriques et fonctionnement

🔑 Key Concepts & Definitions

• Entrefer: L’espace entre le stator et le rotor d’une machine électrique, maintenu par des paliers ou des roulements.
• Point de fonctionnement: L’intersection de la caractéristique mécanique du moteur et de celle de la charge.

★ Must-know

📌 À vitesse nulle, le couple moteur doit être supérieur au couple résistant pour que le moteur démarre.

• Les quadrants correspondent respectivement aux fonctionnements:
  • moteur avec C>0 et N>0
  • générateur avec C<0 et N>0
  • générateur avec C<0 et N<0
  • moteur avec C>0 et N<0

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📌 Les parties d’une machine soumises à des champs variables doivent être feuilletées afin de diminuer les pertes par courants de Foucault.

💡 Memory Hook

Le couple moteur entraîne ; le couple résistant s’y oppose

📖 3. Machine à courant continu

★ Must-know

• Dans une machine à courant continu, l’inducteur est situé sur le stator et son flux circule dans les pôles, l’entrefer, le rotor et la carcasse qui referme le circuit magnétique.

• Dans la machine à courant continu, les lames de cuivre isolées du collecteur sont reliées aux enroulements de l’induit, tandis que les balais en graphite assurent le passage du courant et l’inversion de celui-ci dans les brins.

📐 Formula - La tension de l’induit vérifie $U_a = E + R_a I_a + L_a \frac{dI_a}{dt}$.

📐 Formula - Le couple électromagnétique vérifie $C = \frac{E I_a}{2\pi N} = \frac{p a n I_a \phi}{2\pi} = C_r + J\frac{d\Omega}{dt}$.

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📐 Formula - À flux constant, la vitesse est donnée par $N = \frac{U_a - R_a I_a}{p a n \phi}$.

• Dans un moteur à excitation indépendante à flux constant, la vitesse est proportionnelle à la force électromotrice et le couple est proportionnel au courant.

📖 4. Commande de la machine à courant continu

★ Must-know

• Le démarrage d’un moteur à courant continu limité par un courant maximal s’effectue sous tension réduite, puis la tension est augmentée progressivement jusqu’au point nominal.

📌 Le freinage d’une machine à courant continu est possible en choisissant une caractéristique donnant un couple négatif à la vitesse considérée.

📌 Au-dessus de la vitesse nominale, la diminution du flux permet d’augmenter la vitesse, mais réduit le couple et reste limitée par la vitesse maximale liée à la construction de la machine.

• La régulation de vitesse à flux constant utilise deux boucles imbriquées, une boucle interne de courant plus rapide et une boucle externe de vitesse, ainsi que des capteurs de courant et de vitesse.

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• En fonctionnement dans le quadrant 1 seul, le moteur à courant continu ne peut pas freiner et s’arrête en roue libre.

• La régulation de vitesse avec action sur le flux ajoute une boucle de courant d’inducteur pilotée par une consigne de force électromotrice maximale.

💡 Memory Hook

Flux constant : réglage par la tension ; vitesse étendue : action sur le flux

📖 5. Machine synchrone et autopilotage

🔑 Key Concepts & Definitions

• Autopilotage: Asservit la vitesse du champ statorique à celle du rotor en maintenant constant l’angle d’autopilotage δ entre eux.

★ Must-know

• Dans une machine synchrone, les courants triphasés des enroulements statoriques créent un champ tournant dont la vitesse angulaire dépend de la fréquence et du nombre de paires de pôles.

• Le champ tournant statorique entraîne le rotor d’une machine synchrone à la vitesse de synchronisme, tandis que le champ du rotor reste fixe par rapport à celui-ci.

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• Les deux types principaux de rotors synchrones sont le rotor à pôles saillants et le rotor à pôles lisses.

• Une machine synchrone à 4 pôles alimentée à 50 Hz tourne à 1500 tr/min.

📌 La machine synchrone autopilotée peut être commandée par commutateur de courant ou par onduleur de tension ; le commutateur de courant est associé notamment à la traction électrique et l’onduleur de tension aux applications de plus faible puissance telles que les machines-outils.

💡 Memory Hook

Imagine le rotor accroché au champ tournant par un angle δ constant

📖 6. Machine asynchrone et glissement

🔑 Key Concepts & Definitions

• Glissement: Le glissement d’une machine asynchrone est l’écart relatif entre la vitesse du champ statorique Ω et celle du rotor Ω′, soit $g = \frac{\Omega-\Omega'}{\Omega} = \frac{N-N'}{N}$.

★ Must-know

• La machine asynchrone comprend un stator triphasé alimenté par la source, un rotor cylindrique constitué de tôles encochées portant un bobinage polyphasé en court-circuit, et un entrefer plus étroit que dans les autres machines.

📌 Pour faire varier la vitesse d’une machine asynchrone alimentée par le réseau, il faut faire varier la fréquence de l’alimentation statorique au moyen d’un dispositif électronique de puissance.

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• La création du flux dans l’entrefer d’une machine asynchrone nécessite une puissance réactive prélevée à la source qui alimente le stator.

📐 Formula - La fréquence des courants rotoriques d’une machine asynchrone vérifie $\omega_R = g\omega$.

• Une machine asynchrone à 4 pôles alimentée à 50 Hz tourne à environ 1450 tr/min, les 50 tr/min d’écart étant dus au glissement.

💡 Memory Hook

Synchrone : rotor à la vitesse du champ ; asynchrone : écart de vitesse appelé glissement

📖 7. Commande de la machine asynchrone

🔑 Key Concepts & Definitions

• Commande scalaire: Impose la vitesse du champ statorique par un convertisseur, tandis que la vitesse du rotor dépend du couple de charge ; elle ne nécessite pas de capteur de vitesse.

• Commande vectorielle: Dissocie la création du flux et celle du couple au moyen de transformations mathématiques qui produisent deux composantes de courant, l’une associée au flux et l’autre au couple.

• Commande directe du couple: Élabore les commandes du moteur à partir des courants et tensions mesurés, comparés au modèle identifié de la machine, sans capteur de vitesse.

📝 Essential Points

• La cascade hyposynchrone fait varier la vitesse d’une machine asynchrone en agissant sur les courants rotoriques et nécessite un moteur à rotor bobiné.

• La commande scalaire convient lorsque la précision de vitesse n’est pas importante et que le couple demandé aux faibles vitesses est faible ; un capteur de vitesse peut être ajouté pour améliorer le système.

• 🔄 La commande vectorielle suit cette chaîne:

  1. La boucle de vitesse fournit une consigne de couple à la régulation de courant
  2. La comparaison des positions du flux statorique et de la référence du flux rotorique détermine la phase
  3. La transformée de Park inverse élabore les consignes de courants triphasés
  4. L’onduleur génère ces courants

📖 8. Charges, inertie et réducteurs

★ Must-know

📐 Formula - En translation, la force résultante et l’accélération vérifient $F-F_r=M\frac{dv}{dt}$.

📐 Formula - En rotation, le couple résultant et l’accélération angulaire vérifient $C-C_r=J\frac{d\Omega}{dt}$.

• Pour estimer expérimentalement l’inertie, on mesure la puissance consommée à plusieurs vitesses stabilisées, on retranche les pertes présentes uniquement lorsque le moteur est alimenté, puis on déduit l’inertie du ralentissement moteur séparé de son alimentation.

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• Le moment d’inertie ramené à l’arbre moteur dans un entraînement à trois lignes d’arbre est $J=J_1+J_2\left(\frac{\Omega_2}{\Omega_1}\right)^2+\left[J_3+M_3\left(\frac{D_3}{2}\right)^2\right]\left(\frac{\Omega_3}{\Omega_1}\right)^2$.

• Pour un câble soulevant une masse M3 enroulée sur un tambour de diamètre D3, le couple résistant dû à la masse est $M_3g\frac{D_3}{2}$.

📐 Formula - Pendant le ralentissement du moteur séparé de son alimentation, l’inertie s’obtient par $J=-\frac{C_{r1}}{(d\Omega/dt)_{\Omega_1}}$.

💡 Memory Hook

L’inertie s’oppose aux variations de vitesse → elle augmente le couple nécessaire au démarrage et au freinage

📖 9. Charges industrielles et démarrage

★ Must-know

• Les charges à couple proportionnel au carré de la vitesse comprennent:

  • les pompes centrifuges
  • les compresseurs centrifuges
  • les ventilateurs
  • les pompes à vis
  • les centrifugeuses

• Les charges à couple résistant proportionnel à la vitesse comprennent:

  • les presses
  • les calandres
  • les freins à courant de Foucault
  • les machines-outils

• Les charges à couple résistant constant comprennent:

  • les compresseurs et les pompes à pistons
  • les engins de levage et de manutention
  • les bandes transporteuses
  • les broyeurs et les concasseurs

Further detail

• Les charges à couple résistant inversement proportionnel à la vitesse comprennent:

  • les bobineuses
  • les tours
  • les dérouleuses à bois

• Aux basses vitesses, les caractéristiques réelles des charges peuvent différer des lois idéales, notamment à cause des couples de frottement ou de décollage.

📐 Formula - La constante d’inertie du moteur est définie par $H=\frac{1}{2}\frac{J\Omega_n^2}{S_n}$, et le facteur d’inertie par $FI=\frac{J_1+J'_2}{J_1}$.