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ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z 1

Proposition d’essai de système Lycée Saint Joseph

St Martin les Boulogne


ESSAIS DE SYSTEMES

Thème :REVERSIBILITE

Support :AXE Z


PROBLEMATIQUEGLOBALE

Le système de levage d’un transstockeur piloté par un variateur de vitesse (moteur asynchrone) déclenche régulièrement : avec la mention « Freinage excessif » inscrite sur la face avant du variateur.

• Quels sont les phénomènes mis en jeu, liés à ce défaut ?

• En déduire les solutions pour remédier à ce défaut et quelles en sont les conséquences ?


• Ce défaut est apparu depuis la manutention de charges plus lourdes suite à un changement de production mais sans dépasser la charge nominale.

• Ce défaut survient en bas de la descente

Détails supplémentaires :


OBJECTIF DU TP

• Mettre en situation l’axe Z de façon à reproduire les circonstances qui ont abouti au défaut.

• Choisir et interpréter les mesures avec des paramètres adaptés.

• Donner les solutions et leurs conséquences.

NB : Le sous-système axe Z est supposé avoir ayant les mêmes caractéristiques techniques que le transstockeur.


DOCUMENTS RESSOURCES

• Documentation GTI SYSTEMES sur l’axe

• Notice ATV 71

NB : L’ATV 71 est un variateur de vitesse pour moteur asynchrone. Il est paramétré en contrôle vectoriel de flux sans codeur. Il ne dispose pas de module de freinage.

• Dossier de projet Axe 2006 (TSX 57 ; ATV 71 ; Pupitre KEP France)


1. Recherche des causes du défaut

2. Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie

3. Mise en évidence du seuil de réversibilité et de son déplacement

4. Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques – Conséquences

PLAN


PROBLEMATIQUEPARTICULIERE

En quoi le défaut révèle-t-il un problème dans la réversibilité du système ?



Interpréter le défaut « FREINAGE EXCESSIF » dans la notice de l’ATV 71.


ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z 101. Recherche des causes du défaut






PLAN



Comment évaluer l’énergie au niveau du système pour situer le seuil de réversibilité ?



• D’après les documents techniques GTI et au regard de la partie opérative, détailler la chaîne cinématique du système mécanique.

Variateur Moteur Système mécanique

Charge Réseau

• Dessiner et nommer les principaux composants internes du variateur de vitesse.

Charge

Moteur

Réseau


• Rechercher les caractéristiques du système (paramètres mécaniques et électriques)

2 – 1 Chaîne d’énergie du système axe Z (en vertical)


Réducteur

Moteur

Charge

Réseau

Pignon Crémaillère

Redresseur Conden- sateur

Onduleur





1/15.4

MASSE TOTALECHARIOT 25 kgMOTOREDUCTEUR




1/15.4



• a) – Dans le cas d’une charge entraînante, discuter pour l’axe Z de la réversibilité de chaque élément ci-dessus et de son comportement (en partant de la charge et en remontant vers le réseau).

• On présentera les réponses sous la forme d’un tableau (Excel ou Word).

• A un moment donné on arrive à une limite de la réversibilité. Expliquer pourquoi.

• b) – Quel est l’élément capable d’absorber l’énergie renvoyée. Dans notre application y a-t-il possibilité d’évacuation de l’énergie ?


2 – 2 Étude de la réversibilité du système global

La réversibilité d’un système global nécessite :

• a) – la possibilité pour chaque élément de renvoyer l’énergie vers l’élément en amont

• b) – l’absorption de l’énergie et éventuellement son évacuation



2 – 2 Étude de la réversibilité du système global

Elément Réversible ? Comportement

Charge oui entraînante sens renvoi Pignon-crémaillère oui d'énergieRéducteur oui (épicycloïdal) multiplicateurMoteur oui génératriceOnduleur oui redresseurCondensateur oui tension croissanteRedresseur nonRéseau oui mais impossible Puissance nulle

Elément pouvant absorber l’énergieRappel : l’ATV présent ne dispose pas de module de freinage.

Limite de la réversibilité



2 – 3 Étude de la réversibilité partielle

Pendant la montée, l’énergie est fournie par le réseau : non seulement celle de la charge mais également les pertes de chacun des éléments décrits ci-dessus.

Apport d’énergie

Énergie fournie par le réseau

Pertes au niveau de

chaque élément

Énergie fournie à la

charge




• Pendant la descente, si l’énergie fournie par la charge est faible (charge faible, vitesse faible, fonctionnement à vide), celle-ci ne suffit même pas à fournir les pertes des éléments successivement rencontrés et le réseau continue tout de même à fournir de la puissance.

• On voit donc apparaître un seuil de réversibilité où :

• - la puissance est négative en aval du seuil

• - la puissance est positive en amont du seuil

Limite de réversibilité

Renvoi d’énergie

Apport d’énergie


Pertes de ces éléments fournies par la charge

Énergie fournie PAR

la charge

Pertes de ces éléments fournies par le réseau




Si l’énergie fournie par la charge est un peu plus grande on recule ainsi le seuil de réversibilité :

Seuil de réversibilité

Renvoi d’énergie

Apport d’énergie


Pertes de ces éléments fournies par la charge

Énergie fournie PAR

la charge

Pertes de cet élément fournies par le réseau



2 – 4 Moyens de mesure

• On passera en revue dans la chaîne d’énergie

les moyens disponibles

ou ceux que l’on pourrait mettre en œuvre

pour évaluer

ou constater simplement la réversibilité.

• On évaluera ainsi :

la puissance mécanique

la puissance électrique

l’énergie mise en jeu dans le condensateur par la visualisation de la tension à ses bornes.

Donner à chaque fois :

la grandeur à mesurer.

l’appareil de mesure à utiliser

en pointant l’endroit de la mesure sur la chaîne d’énergie.



2 – 4 Moyens de mesure

Réducteur

Moteur

Charge

Réseau



Onduleur

Tension bus continu

Vitesse linéaireCapteur

magnétostrictif

Puissance électrique

Couple(capteur)

Puissance électrique






PLAN3



Pour une charge éloignée de la charge nominale (et en particulier pour le sous-système axe Z), comment situer le seuil de réversibilité ? Montrer que le variateur ne peut pas passer en défaut.



à travers 2 essais :

à vide

en charge (20 kg)

avec les paramètres suivants :

vitesse moteur : 1500 tr/mn

temps de rampe d’accélération et de décélération (en ms/1500tr.mn-1) au minimum

en mouvements alternatifs

on relèvera :

le couple mécanique (capteur de couple)

la vitesse (capteur magnétostrictif)

la puissance absorbée par le moteur

la tension aux bornes du condensateur



Interprétation des résultats

On ne s’intéressera dans un premier temps qu’à la descente en régime établi

Donner sous la forme d’un tableau :

Puissance de la charge

Puissance au niveau du couplemètre

Puissance absorbée par le moteur

En plaçant les valeurs sur la chaîne d’énergie, interpréter les valeurs pour situer le seuil de réversibilité.

NB : On soulignera par calcul l’éloignement du régime nominal.

Pendant les changements de sens, interpréter les courbes de couple et la forme de la tension aux bornes du condensateur.


ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z 283. Mise en évidence du seuil de réversibilité et

de son déplacement

Essai à vide

EchellesCouple 0.25V / Nm

Vitesse 1V / 0.15 ms-1

Montée DescenteMontée Descente

EchellesCouple 0.25V / NmUcond 1V / 200V

Masse 0+25 kgPcharge = F * V

= 25 * 9.81 * (-0.27)= - 66 W

Pméca (capt) = C *

= 4.8 * (-0.27/0.027)

= - 48 WPmoteur ~ + 57 W






Essai à mi-charge

Montée DescenteMontée Descente

Masse 20+25 kgPcharge = F * V

= 45 * 9.81 * (-0.27)= - 119 W

Pméca (capt) = C *

= 9.6 * (-0.27/0.027)

= - 96 WPmoteur ~ + 12 W

ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z 303. Mise en évidence du seuil de réversibilité et

de son déplacement

Bilan des 2 essais

Réducteur

Moteur

Charge

Réseau



Onduleur

-66 W-48 W+57 W

Réducteur

Moteur

Charge

Réseau



Onduleur

À vide

À mi-charge

-119 W-96 W+12 W



Rien de visible En régime établi

Rien de visible En régime établi

couple 0.25V / Nmvitesse 1V / 0.15m/s

déplacement 1V / 125mm

Echelles

Masse ajoutée Vide 20 kg + 25

Vitesse -0.27 -0.27 m/sCharge totale 25 45 kg

Puissance charge -66 -119 WCouple montée 6.8 12.4 Nm

Couple descente 4.8 9.6 NmPuissance (capteur) montée -68 -124 W

Puissance (capteur) descente -48 -96 WPuissance moteur montée 220 294 W

Puissance moteur descente 57 12 W






PLAN


Redresseur Onduleur

• Quelle est la conséquence de la réversibilité totale au niveau de la tension du condensateur ? Justifier l’apparition du défaut décrit dans la problématique initiale.

• Quels sont les paramètres qui vont influer sur la valeur de la tension aux bornes du condensateur après un temps donné ?


Uc

0c

cc

cc

UtC

IUcsteIsi

dt

dUCI

U0 Pente Ic/C

Apparition du défaut si pas de module de

freinage

Limite constructeur

t

UcIc




• Augmenter la charge pour voir apparaître le phénomène (en présence du professeur) sans pour cela provoquer le défaut.


Montée Descente

Pente : 40V / s = Ic / C 560 V


Montée Descente

On pourrait atteindre 1000 V

en (1000 – 560) / 40 = 11 sEssai à charge

< charge nominale

700 V


Réducteur

Moteur

Charge

Réseau



Onduleur

-154 W-108 W-21 W


Augmentationde la tension

Masse ajoutée Vide 20 33 kg + 25

Vitesse -0.27 -0.27 -0.27 m/sCharge totale 25 45 58 kg

Puissance charge -66 -119 -154 WCouple montée 6.8 12.4 16.0 Nm

Couple descente 4.8 9.6 10.8 NmPuissance (capteur) montée -68 -124 -160 W

Puissance (capteur) descente -48 -96 -108 WPuissance moteur montée 220 294 332 W

Puissance moteur descente 57 12 -21 W

< 370 W /


Essai à charge < charge nominale


• Proposer des solutions pour résoudre le problème, sachant que les contraintes de productivité empêchent l’immobilisation du transstockeur.

• Faire les essais correspondants aux solutions s’ils sont possibles.

• Conclure sur les conséquences des 2 solutions


• 1ère solution : le technicien se doit de trouver une solution la moins contraignante possible pour pallier le défaut en attendant une solution plus radicale.

Le défaut qui est apparu sur le transstockeur est dû à une « manutention de charges plus lourdes », donc à une augmentation de la puissance globale puisqu’il n’est pas mentionné de changement de vitesse.

Il faut donc réduire cette puissance globale P = m * g * V en diminuant la vitesse puisqu’on ne peut pas agir sur la masse des pièces.


• Proposer des solutions pour résoudre le problème, sachant que les contraintes de productivité empêchent l’immobilisation du transstockeur.

• Faire les essais correspondants aux solutions s’ils sont possibles.

• Conclure sur les conséquences des 2 solutions


• 1ère solution :

Il est donc prévu de procéder une diminution de la vitesse du transstockeur.

Cette diminution sera proportionnelle à l’augmentation de la masse des pièces pour revenir à la puissance d’« avant la manutention de pièces plus lourdes ».

On n’agira ainsi, si on le peut, uniquement pendant la descente pour ne pas nuire 2 fois au temps de production.

On évaluera le temps perdu par cycle, et on chiffrera les pertes financières dues à la baisse de la productivité.



• 1ère solution :

Vitesse actuelle : 1500 tr/mn

La charge est passée de 45 kg (y compris la masse du chariot et de la motorisation) à 58 kg donc l’augmentation est de 58 / 45 = 1.29

La nouvelle vitesse sera 1500 : 1.29 = 1164 tr/mn


L’essai ci-contre a été réalisé à 1300 tr/mn dans les 2 sens (montée et descente) avec une charge de 58 kg (au total) : on observe beaucoup de discontinuités pendant la descente qui indiquent que l’on est très proche de la réversibilité.

Une mesure de la puissance fournie par le réseau aurait pu montrer que l’on est proche de la puissance nulle.

Montée Descente



• Décision est prise de prendre une vitesse de 1200 tr/mn pour la descente et de 1500 tr/mn

• Soit tc le temps du cycle précédent, si on néglige les temps d’accélération et de décélération :

• le temps de montée restera de tc / 2• le temps de descente passera à tc / 2 * 1500 / 1200 = 0.625 tc• Soit un temps de cycle de t’c = 1.125 tc• Le nombre de cycles dans un temps donné sera divisé par 1.125 soit

multiplié par 0.89. Soit une diminution de productivité de 11 %.



• 2ème solution (en complément de la 1ère) :

On peut, simultanément à la diminution de vitesse, agir sur les rampes d’accélération et de décélération car si les rampes sont très raides on voyait nettement sur la courbe de tension aux bornes du condensateur une augmentation de tension courte mais non négligeable qui peut faire atteindre le seuil fatidique au moment du freinage en fin de descente (pic plus important en fin de descente qu’en fin de montée)

Montée Descente

L’essai a été fait pour 1300 tr/mn avec une rampe dans les 2 sens de 0.5 s / 1500 tr/mn.

Ce qui correspond à une durée de cycle de 1.5 s supplémentaire.

On voit une nette amélioration de la continuité de la courbe et une diminution voire même une disparition du pic en fin de descente.



• 3ème solution

Les solutions précédentes sont provisoires en attendant l’achat, s’il est accepté par les impératifs de budget, d’un module de freinage.

Il faudra alors calculer les résistances de freinage, cette fois-ci pour la charge nominale pour ne plus être surpris par une nouvelle augmentation des charges.

Il y a lieu de demander un devis au fournisseur pour préparer le dossier d’investissement et les coûts prévisionnels, demander les délais d’approvisionnement. Il faudra estimer les délais de réalisation.

Cette solution aurait d’ailleurs pu être prévue à la conception du système.


Compétences :• C01 : Analyser un dossier• C02 : Choisir une solution technique• C04 : Rédiger un document de synthèse• C05 : Argumenter sur la solution technique retenue• C14 : Analyser les causes de dysfonctionnement• C17 : Mettre en œuvre des moyens de mesurage• C18 : Interpréter des résultats de mesure et d’essais• C20 : Régler les paramètres • C11 : Estimer les coûts prévisionnels

• C15 : Estimer les délais de réalisation

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