Proposition d’essai de système Lycée Saint Joseph St Martin les Boulogne

1. Proposition d’essai de système Lycée Saint Joseph St Martin les Boulogne ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

2. ESSAIS DE SYSTEMES Thème : REVERSIBILITE Support : AXE Z ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

3. PROBLEMATIQUE GLOBALE 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 ? ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

4. Détails supplémentaires : • 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 ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

5. 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. ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

6. 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) ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

7. 1 PLAN • Recherche des causes du défaut • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie • Mise en évidence du seuil de réversibilité et de son déplacement • Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques– Conséquences ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

8. PROBLEMATIQUE PARTICULIERE En quoi le défaut révèle-t-il un problème dans la réversibilité du système ? • Recherche des causes du défaut ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

9. Interpréter le défaut « FREINAGE EXCESSIF » dans la notice de l’ATV 71. • Recherche des causes du défaut ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

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

11. 2 PLAN • Recherche des causes du défaut • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie • Mise en évidence du seuil de réversibilité et de son déplacement • Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques– Conséquences ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

12. PROBLEMATIQUE PARTICULIERE Comment évaluer l’énergie au niveau du système pour situer le seuil de réversibilité ? • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

13. 2-1 2 – 1 Chaîne d’énergie du système axe Z (en vertical) • D’après les documents techniques GTI et au regard de la partie opérative, détailler la chaîne cinématique du système mécanique. • Dessiner et nommer les principaux composants internes du variateur de vitesse. • Rechercher les caractéristiques du système (paramètres mécaniques et électriques) • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

14. 2 – 1 Chaîne d’énergie du système axe Z (en vertical) • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

15. 1/15.4 MASSE TOTALE CHARIOT 25 kg MOTOREDUCTEUR 2 – 1 Chaîne d’énergie du système axe Z (en vertical) • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

16. 1/15.4 2 – 1 Chaîne d’énergie du système axe Z (en vertical) • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

17. 2-2 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 • 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 ? • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

18. 2 – 2 Étude de la réversibilité du système global Limite de la réversibilité Rappel : l’ATV présent ne dispose pas de module de freinage. Elément pouvant absorber l’énergie • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

19. 2-3 Énergie fournie à la Énergie charge fournie par le réseau Apport d’énergie Pertes au niveau de chaque élément 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. • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

20. Limite de réversibilité Énergie Énergie fournie PAR fournie par la charge le réseau Pertes de ces éléments Pertes de ces éléments fournies par le réseau fournies par la charge Apport d’énergie Renvoi d’énergie 2 – 3 Étude de la réversibilité partielle • 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 • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

21. Seuil de réversibilité Énergie Énergie fournie PAR fournie par le réseau la charge Pertes de cet élément fournies par le réseau Pertes de ces éléments fournies par la charge Apport d’énergie Renvoi d’énergie 2 – 3 Étude de la réversibilité partielle Si l’énergie fournie par la charge est un peu plus grande on recule ainsi le seuil de réversibilité : • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

22. 2-4 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. • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

23. 2 – 4 Moyens de mesure Puissance électrique Tension bus continu Puissance électrique Vitesse linéaire Capteur magnétostrictif Couple (capteur) • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

24. 3 PLAN • Recherche des causes du défaut • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie • Mise en évidence du seuil de réversibilité et de son déplacement • Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques – Conséquences ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

25. PROBLEMATIQUE PARTICULIERE 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. • Mise en évidence du seuil de réversibilité et de son déplacement ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

26. 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 • Mise en évidence du seuil de réversibilité et de son déplacement ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

27. 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. • Mise en évidence du seuil de réversibilité et de son déplacement ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

28. Montée Descente Essai à vide Masse 0+25 kg Pcharge = F * V = 25 * 9.81 * (-0.27) = - 66 W Pméca (capt) = C *  = 4.8 * (-0.27/0.027) = - 48 W Pmoteur ~ + 57 W Montée Descente Echelles Couple 0.25V / Nm Vitesse 1V / 0.15 ms-1 Echelles Couple 0.25V / Nm Ucond 1V / 200V • Mise en évidence du seuil de réversibilité et de son déplacement ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

29. Montée Descente Montée Descente Echelles Couple 0.25V / Nm Vitesse 1V / 0.15 ms-1 Echelles Couple 0.25V / Nm Ucond 1V / 200V Essai à mi-charge Masse 20+25 kg Pcharge = F * V = 45 * 9.81 * (-0.27) = - 119 W Pméca (capt) = C *  = 9.6 * (-0.27/0.027) = - 96 W Pmoteur ~ + 12 W • Mise en évidence du seuil de réversibilité et de son déplacement ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

30. Bilan des 2 essais Limite de réversibilité À vide Rien de visible En régime établi +57 W -48 W -66 W Limite de réversibilité À mi- charge Rien de visible En régime établi +12 W -96 W -119 W • Mise en évidence du seuil de réversibilité et de son déplacement ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

31. 4 PLAN • Recherche des causes du défaut • Recherche des possibilités de mesure au niveau des éléments de la chaîne d’énergie • Mise en évidence du seuil de réversibilité et de son déplacement • Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques – Conséquences ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

32. Redresseur Onduleur Limite constructeur Ic Uc U0 Pente Ic/C Uc t Apparition du défaut si pas de module de freinage • 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 ? • Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques – Conséquences ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

33. Montée Descente Montée Descente 700 V Pente : 40V / s = Ic / C 560 V Echelles Couple 0.25V / Nm Vitesse 1V / 0.15 ms-1 Echelles Couple 0.25V / Nm Ucond 1V / 200V • Augmenter la charge pour voir apparaître le phénomène (en présence du professeur) sans pour cela provoquer le défaut. On pourrait atteindre 1000 V en (1000 – 560) / 40 = 11 s Essai à charge < charge nominale • Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques – Conséquences ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

34. < 370 W /  Essai à charge < charge nominale Limite de réversibilité Augmentation de la tension -21 W -108 W -154 W • Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques – Conséquences ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

35. 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. • Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques – Conséquences ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

36. 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. • Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques – Conséquences ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

37. Montée Descente • 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. Echelles Couple 0.25V / Nm Ucond 1V / 200V • Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques – Conséquences ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

38. 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 %. • Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques – Conséquences ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

39. Montée Descente • 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) 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. • Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques – Conséquences ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

40. 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. • Prévision d’apparition du défaut en augmentant la charge – Solutions technologiques – Conséquences ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z

41. 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 ESSAIS DE SYSTEMES REVERSIBILITE AXE X ou Z