CONCEPTIO N MECANIQUE - Cours en ligne de l'INSA de .CONCEPTIO N MECANIQUE Chaînes de Puissance

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  • CONCEPTION MECANIQUE

    Chanes de Puissance Electromcanique

    Lobjet de ce document est de donner les lments mthodologiques essentiels permettant la dtermination des donnes de puissance (vitesses, efforts, couples) ncessaires au choix dun systme. Pour atteindre cet objectif, une mthode proposant notamment lutilisation du plan de puissance sera prsente.

    FONCTIONS GENERIQUES D'UN SYSTEME

    GENERALITE

    On peut dcrire un systme par ses fonctions gnriques, parmi lesquelles se retrouvent convertir et transmettre la puissance au cur de la chane de puissance (ou chane dnergie).

    Rseau lectrique connu

    A concevoir lors du projet

    On s'intresse ici uniquement aux fonctions gnriques

    convertir et transmettre la puissance sous l'aspect "puissance"

  • Energie

    primaire

    Alimenter

    en nergie

    CHAINE DE PUI SS ANCE ELECTROMEC ANI QUE

    Voici une description dtaille dune chane de puissance sans la partie Action .

    Energie

    primaire

    Alimenter

    en nergie

    Chane

    Energie *

    lectrique

    dalimentation

    Distribuer

    lnergie

    Practionneur

    lectrique

    Energie

    lectrique *

    distribue

    Convertir

    lnergie

    Moteur

    lectrique

    Energie

    mcanique *

    de rotation

    Transmettre

    le mouvement

    *Ordres de commande

  • LES SCHEMA BLOCS

    Pour aider la comprhension dun systme, il est possible de dtailler la chaine de puissance (les parties conversion dnergie et transmission du mouvement) sous forme graphique. Ce graphique est un outil appel Schma Bloc. Il permet de visualiser un instant t donn la puissance (Force et Vitesse), le rendement, les rapports de transmissions, dun systme.

    Exemple : Un systme quelconque est anim par un moteur (convertit lnergie lectrique en nergie mcanique), comporte un rducteur (adapte la puissance mcanique) et un transformateur de mouvement (transforme le mouvement de rotation en translation).

    Pi correspond la puissance en sortie du bloc i Ci correspond au couple en sortie du bloc i i correspond la vitesse en rotation en sortie du bloc i Fi correspond leffort en sortie du bloc i Vi correspond la vitesse en translation en sortie du bloc i Ri correspond au rapport de rduction du bloc i

    i correspond au rendement associ au bloc i

    Le schma suivant permet de visualiser rapidement la chaine de puissance du systme tudi.

    Pm

    Moteur Rducteur Cm, m R1, 1

    P1

    C1,1

    Transformation de mouvement

    R2, 2

    Ps

    Fs, Vs

    Figure 1 Exemple dun schma bloc dun systme.

    PLAN DE PUISSANCE

    DEFINITION

    Le plan de puissance est un outil descriptif de la puissance mise, transmise ou reue par un systme lectromcanique. Il se prsente sous la forme dun graphique (Action Vitesse) o lAction est un effort (N) ou un couple (N.m) et la Vitesse est linaire (m/s) ou de rotation (rad/s). On peut remarquer que le produit (Action x Vitesse) est homogne une puissance :

    Puissance = Action x Vitesse La figure ci-dessous reprsente un plan de puissance type. On remarque sur ce

    graphique que pour deux combinaisons du couple (Action, Vitesse) le systme est moteur (Puissance>0), et que pour deux autres combinaisons le systme joue le rle de frein (Puissance

  • II I

    III IV

    0.8

    Vit 0.3 es se (/ s) -60000 -40000 -20000 -0.2 0 20000 40000 60000

    -0.7

    -1.2 Moment (Nm)

    II

    -40000 -20000 -0.2

    -0.7

    IIII 0.8

    0.3

    20000 40000

    IIVV

    Vit

    esse

    Vit

    esse

    Cadran (Puissance>0)

    0

    Cadran (Puissance

  • Vit

    esse

    Durant lutilisation dun mcanisme, il existe plusieurs temps appels points de fonctionnement.

    Chaque point de fonctionnement est dfini par une valeur en Action et une valeur en Vitesse. Chaque point de fonctionnement possde ainsi sa valeur de puissance. Sur la Figure 2, ces points sont reprsents par des croix. Lensemble des points de fonctionnement forme une courbe de fonctionnement.

    Il existe gnralement au minimum 3 points de fonctionnement qui correspondent : Au dmarrage du systme : vitesse nulle Pendant le fonctionnement normal Quand le systme fonctionne vide (sans la charge) : vitesse maximale

    Pour un moteur, on appelle charge, le dispositif mcanique qui impose les caractristiques 'Vitesse, Action'. (Exemple. Pour un ascenseur, c'est la vitesse de dplacement souhaite qui impose la frquence de rotation, et la masse dplacer qui impose le couple).

    DANS TOUS LES CAS, C'EST LA CHARGE QUI IMPOSE LE POINT DE FONCTIONNEMENT NOMINAL D'UNE MACHINE ELECTRIQUE.

    CARACTERISTIQUES DU PLAN DE PUISSANCE

    Pour une puissance donne, il existe un ensemble de points de puissance identique mais en diffrentes positions dans le plan puissance, ces points forment des courbes disopuissance. Leur quations est donc Vitesse = Puissance/Action. Ces courbes sont reprsentes en pointills sur la figure suivante.

    Il existe sur un plan de puissance quelques valeurs remarquables reprsentes sur la figure suivante :

    la vitesse maximale : le trait horizontal, Laction maximale : le trait vertical, La courbe de puissance maximale : tangente au point de fonctionnement

    maximum, La courbe de puissance apparente : tangent au point virtuel de coordonnes

    (Action maximale, Vitesse maximale).

    0 Action

    Figure 3 Exemple d'un plan de puissance

  • UTILITE DE PLAN DE PUISSANCE

    Le plan de puissance est un outil de vrification. Il permet de valider graphiquement quun organe ne demande pas plus dnergie que le systme peut en apporter, ou trouver la puissance ncessaire en fonction de la charge.

    Ainsi, pour valider le choix dun moteur, il est possible dexprimer la puissance de sortie en fonction de la puissance en entre du mcanisme, grce au travail prcdent autour du schma bloc (cf Figure 1). Le plan de puissance obtenu peut alors tre compar celui du moteur donn par le constructeur. Ltape finale consiste alors choisir un moteur dont les capacits (sa courbe caractristique dans son plan puissance) sont suffisantes pour couvrir les points de fonctionnement exigs par la puissance de sortie.

  • APPLICATION

    CONSEIL DELABORATION DE PLAN DE PUISSANCE

    Elaborer sous Excel le plan puissance Faire ressortir la puissance maximale et la puissance apparente Dimensionner en puissance = trouver 3 points de fonctionnement minimum

    Organisation d'une feuille de calcul :

    Une feuille de calcul doit tre utile et rutilisable ultrieurement, par une autre personne. Pour mieux permettre la capitalisation de la connaissance et du travail :

    pensez la traabilit, bien identifier : - les donnes (propritaire = client), - les choix de conception (propritaire = concepteur), - les rsultats de calcul, indiquez les units et les hypothses.

    EXEMPLE DAPPLICATION

    Lobjet de ce chapitre est de donner les lments mthodologiques essentiels permettant la dtermination des donnes de puissance ncessaires au choix du moteur qui mettra en mouvement la parabole, ceci en connaissant :

    - les dimensions et caractristiques du systme bras + parabole, - les performances attendues (angles, dplacements, vitesses,) sur les mouvements

    de la parabole.

    Pour atteindre cet objectif, une mthode proposant notamment lutilisation du plan de puissance sera prsente.

  • Donnes du problme :

    Extraits de la Spcification de la parabole :

    Performance

    PUISSANCE MECANIQUE SUR LA CHARGE

    La position angulaire de la parabole doit pouvoir tre module entre +5 et +95. Le vrin devra prsenter une course de bute bute permettant une rserve de 2 par rapport la course prcdente.

    Le vrin doit tre capable d'entraner la parabole dans les conditions suivantes : a) moment d'activation de parabole suprieur 250 Nm vitesse nulle b) vitesse angulaire de parabole, vide, suprieure 30/s c) vitesse angulaire de parabole de 25/s en prsence de vent produisant un

    moment rsistant de 100 Nm

    MASSE

    La masse du vrin doit tre infrieure 3.5 kg. Masse totale de la parabole et du bras = 50 kg

    Sollicitations mcaniques

    STATIQUE

    La charge axiale limite applique par la parabole sur le vrin correspond un moment de 100 Nm. La charge ultime est dfinie 1.5 fois la charge limite. La charge limite ne doit pas entraner de dformation permanente du vrin. La charge ultime ne doit pas entraner de rupture du vrin.

    95

    0.1 m

    0.25 m G

    A

    5

    Horizontale

    B

    Liaison la tige de vrin ( dfinir)

    Structure porteuse

    Figure 4 Schma de l'installation du vrin de parabole

  • vite

    sse

    de ro

    tatio

    n (

    /s)

    Rsolution du problme Chane de puissance du systme

    Vrin lectrique Transmettre le mouvement (bras de levier)

    Charge client : Parabole

    Nous dsirons connatre les caractristiques du vrin lectrique pour faire fonctionner la parabole. Pour cela il faut dterminer les puissances en amont et en aval des diffrents organes.

    Plan de puissance de la parabole en sortie du systme (au point A) La parabole correspond la charge. Les puissances recherches sont donc des puissances

    que devra fournir le systme pour que la parabole puisse tre oriente. points de fonctionnements :

    o vitesse de 0/s pour un couple rsistant de 250 Nm o vitesse de 25/s pour un couple rsistant de 100 Nm o vitesse de 30/s vide

    35

    Donnes constructeur 30

    25

    20