Séquence 5 : Portail deux vantaux

Expérimenter et Résoudre pour déterminer les performances énergétiques de la chaîne de puissance d’un système

Travail préparatoire

Avant de commencer cette séquence de travaux pratiques, vous devez réaliser le travail préparatoire suivant :

Environnement nécessaire pour le déroulement de la séquence

Matériel nécéssaire pour le système

  • portail à deux vantaux :
    • équipé du boîtier d'acquisition " Vernier " associé à un ordinateur pourvu du logiciel " Logger Pro " installé et correctement configuré avec le fichier " demarrage.xmbl "
    • configuré tel que :
      • moteur du grand vantail positionné à 260 millimètre (index rouge à 260 millimètre) ;
      • bielle du grand vantail positionnée à 375 millimètre (index rouge à 475 millimètre) ;
      • moteur du petit vantail positionné à 100 millimètre (index rouge à 100 millimètre) ;
      • bielle du petit vantail positionnée à 235 millimètre (index rouge à 335 millimètre) ;
      • le frein du grand vantail est complètement desserré ;
      • tous les interrupteurs du boîtier de commande en position " TCA ", " IBL " et " FCH ".
    • trois temporisateurs réglables permettent de modifier les caractéristiques du cycle d'ouverture-fermeture. Les potentiomètres " TL ", " TCA " et " DELAI M2 " permettent d'ajuster les valeurs suivantes :
      • temps de fonctionnement des moteurs en ouverture ou fermeture : potentiomètre " TL " ;
      • durée d'arrêt des moteurs dans la position vantaux ouverts : potentiomètre " TCA " ;
      • décalage temporel entre les débuts de fermeture des deux vantaux : potentiomètre " DELAI M2 ".
        • temps de fonctionnement des moteurs = durée de l'opération d'ouverture du grand vantail + 2 secondes (justification par la suite) ;
        • maintien du portail ouvert durant 5 secondes ;
        • décalage minimum entre les débuts de fermeture des deux vantaux afin que les deux vantaux se ferment en même temps.

Matériel nécéssaire pour ce TP

Branchement matériel


Les deux branchements ci-dessous sont à faire simultanément.

Image manquante Image manquante
Image manquante Image manquante
Mesure de la tension du moteur sur la voie A Mesure de l’intensité du moteur sur la voie B

Acquisition avec le logiciel Picoscope


Les mesures seront réalisés avec un picoscope (oscilloscope connectable PC) uniquement durant la fermeture du portail.

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Exploitation des mesures


Triangle des puissances

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Image manquante


Les grandeurs \(U\) et \(I\) sont des valeurs efficaces.


Grandeurs efficaces

Par définition : \(U_{eff} = \sqrt{\dfrac{1}{T} \int_{to}^{to+T}u^2(t) \cdot dt}\)

Pour un signal sinusoïdal, \(U_{eff} = \dfrac{U_{max}}{\sqrt{2}}\) et \(I_{eff} = \dfrac{I_{max}}{\sqrt{2}}\)

Présentation du système

Domaine du commanditaire

Le système étudié est l'ouvre portail de type E5 commercialisé par la société BFT.


De faible encombrement, ce système permet l'ouverture automatique et télécommandée de portails battants. Il est destiné à un usage résidentiel.



Le groupe BFT, basé en Italie, au travers de sa filiale Automatismes BFT France propose une gamme complète d'automatismes électromécaniques et oléo-dynamiques pour motoriser portails, portes de garage, systèmes de parking et contrôle d'accès. Exclusivement professionnelle, la marque BFT s'étend sur les marchés résidentiel, collectif et industriel. Le système retenu pour notre étude est une motorisation pour portails battants, longueur du vantail jusqu'à 1,80 m, poids jusqu'à 200 kg, à usage résidentiel.


L'ensemble est vendu en kit pré câblé et comporte :

  • la chaine d'énergie
    • deux moto-réducteurs
    • deux limiteurs de couple à friction anti-écrasement à disques multiples
    • deux bras de poussée avec biellette articulée
    • un boitier de verrouillage électromagnétique (ou à clé)
  • la chaine d'information
    • une armoire de commande électronique avec temporisateur
    • un récepteur radio et son antenne
    • une cellule photoélectrique
    • un émetteur portatif à piles.

Le système d'ouverture semi automatise DOMOTICC est représenté sur la figure ci-dessous :



  • Antenne avec câble coaxial
  • Électro-serrure
  • Centrale de commande
  • Clignotant
  • Photocellule émettrice
  • Émetteur radio
  • Moto-réducteur avec friction
  • Bras articulé
  • Photocellule réceptrice
  • Télécommande

Domaine du laboratoire



Le matériel est composé principalement d'un châssis métallique supportant le portail, d'une centrale de commande avec émetteur H.F., de deux moto-réducteurs avec limiteur de couple et tringlerie d'ouverture de portail et d'un ensemble de capteurs spécifiques associés à une carte de traitement.


Outre son bâti mécano-soudé, ce système automatisé est constitué de trois sous-ensembles principaux :


  • Le grand vantail instrumenté comprenant :
    • 4 capteurs :
      • capteur n° 1 : un potentiomètre de précision qui permet de mesurer la position angulaire du bras du motoréducteur ;
      • capteur n° 2 : un potentiomètre de précision qui permet de mesurer la position angulaire du grand vantail ;
      • capteur n° 3 : une jauge de contrainte qui permet de mesurer le couple fourni par le motoréducteur ;
      • capteur n° 4 : une jauge de contrainte qui permet de mesurer le couple sur le vantail (voir fonction suivante) ;
    • un frein : ce frein permet de simuler l'effet du vent sur le vantail ;
    • un support permettant de placer des masses de 10 kg (charge maxi 50 kg) pour modifier l’inertie du vantail ;
    • une motorisation par un moto-réducteur à bras avec limiteur de couple à friction (B. F. T. - Réf.E5).
  • Le petit vantail comprenant :
    • une électro-serrure de verrouillage du portail ;
    • une motorisation par un moto-réducteur à bras avec limiteur de couple à friction (B. F. T. - Réf. E5).
  • Le coffret de contrôle / commande

Problématique

Déterminer les performances énergétiques de la chaîne de puissance du système.

Démarche de l'ingénieur

Image manquante

Rôle de chacun des membres de l'équipe

Les étudiant(e)s qui travaillent en îlots doivent constituer une équipe, dans laquelle chacun aura un rôle essentiel et complémentaire à celui des autres membres, pour réaliser les tâches correspondant aux objectifs.

Mission spécifique au groupe projet

Un groupe projet est composé d’un expérimentateur, d’un modélisateur travaillant conjointement.


Les groupes projet doivent mettre en oeuvre les compétences suivantes :

  • Image manquante Analyser l’organisation fonctionnelle et structurelle
  • Image manquante Proposer un modèle de connaissance et de comportement
  • Image manquante Mettre en oeuvre une démarche de résolution analytique
  • Image manquante Mettre en oeuvre un système
  • Image manquante Proposer et justifier un protocole expérimental
  • Image manquante Mettre en oeuvre un protocole expérimental
  • Image manquante Produire et échanger de l’information

Chaîne d’information et chaîne de puissance sous forme d’un IBD

On cherche dans cette partie à décrire la chaîne de puissance et la chaîne d’information du système étudié.

Nous vous mettons à disposition :

Identifier et décrire la chaîne d’information et la chaîne de puissance du système
Identifier les constituants de la chaîne d’information réalisant les fonctions acquérir, traiter, communiquer.
Identifier les constituants de la chaîne de puissance réalisant les fonctions alimenter, moduler, convertir, transmettre et agir.
Identifier les grandeurs physiques d’effort et de flux.
Identifier et décrire les liens entre la chaîne de puissance et la chaîne d’information
Produire le document de la chaine fonctionnelle de votre système.

Moment d’inertie équivalente ramené à l’arbre du moteur

On cherche dans cette partie à déterminer l’influence de chaque constituants de la chaîne de puissance sur l’inertie équivalente rapportée à l’arbre moteur.
Exprimer l’énergie cinétique de chaque groupe cinématiquement équivalent de la transformation de mouvement.
Vous prendrez soin à retirer les énergies cinétiques qui vous semblent négligeables.
Exprimer tous les paramètres cinématiques intervenant dans l’expression précédente en fonction de celle de la motorisation.
Exprimer et déterminer le moment d’inertie équivalente ramené à l’arbre du moteur
Déterminer, en pourcentage, la répartition du moment d’inertie équivalent ramené à l’arbre du moteur pour chaque moment d’inertie équivalent des différents groupes cinématiques équivalent ramené à l’arbre du moteur.
Conclure

Rendement

On mène une étude dynamique par une approche énergétique avec la particularité de se placer dans la phase du régime permanent du mouvement.

Trouver la situation expérimentale où l'on a une régime permanent avec une puissance de sortie non nulle.

On isole tous les groupes cinématiquement équivalent en mouvement.

Déterminer la puissance des actions mécaniques extérieures à un solide ou à un ensemble de solides, dans son mouvement par rapport au repère galiléen.
Déterminer la puissance des actions mécaniques intérieures à un ensemble de solides.

La puissance échangée entre deux éléments s'exprime, indépendamment du domaine considéré, comme le produit de deux variables complémentaires :

  • une grandeur d'effort qui " tend " à déplacer une certaine quantité de matière (ou quelque chose qui en tient lieu)
  • une grandeur de flux qui traduit le déplacement avec un certain " débit " d'une quantité de matière (ou quelque chose qui en tient lieu)

Domaine Effort Flux
Mécanique de translation Force
en newton		 Vitesse
en mètre par seconde
Mécanique de rotation Couple
en Newton par mètre		 Vitesse angulaire
en radian par seconde
Électricité Tension
en volt		 Courant
en ampère
Hydraulique, pneumatique Pression
en Pascal		 Débit volumique
en mètre cube par seconde
Thermodynamique, thermique Température
en Kelvin		 Flux d'entropie
en joule par Kelvin par seconde

Localiser où se trouve les puissances non nulles deux questions précédentes sur la chaîne de puissance.

Mesurer la grandeur « effort » et la grandeur « flux » permettant de quantifier chacune de ces puissances non nulle.

Identifier les pertes de puissance.
Évaluer le rendement d’une chaîne de puissance en régime permanent et en fonction de flux d’effort mesurable.
Dans la mesure du possible, évaluer le rendement des composants de la chaîne de puissance en régime permanent.
Quantifier les pertes dans les constituants d’une chaîne de puissance.
Dans la mesure du possible, afficher
  • une courbe du rendement en fonction de la charge.
  • une courbe de la puissance motrice en fonction de la charge.
Conclure

Filtrage numérique

Dans la chaîne de traitement du signal, des observations brutes au résultat final, une étape souvent essentielle consiste à s’affranchir de signaux parasites. C’est possible lorsque ces derniers présentent des caractéristiques différentes de celles du signal.

Moyenne mobile

Un filtre par moyenne glissante substitue à une valeur donnée la moyenne des valeurs aux alentours, dans un intervalle de largeur \( 2 \cdot n + 1 \). Plus l’intervalle est grand, plus le filtrage est efficace.

Ce filtrage présente des inconvénients que dévoile la transformée de Fourier : le filtrage des fréquences par moyenne glissante est très irrégulier.


from numpy import mean

def moyenneMobile (l, n):
  # Taille de la liste
  taille = len (l)
  # Créer une liste aussi grande que les données
  resultat = [ None ]* taille
  for i in range ( taille ):
    # chercher les bornes de la sous liste dont on doit faire la moyenne
    a, b = i - n, i + n + 1
    # les bornes doivent compatible avec la liste
    a, b = max (0, a), min(b, taille )
    # Faire la moyenne
    resultat [i] = mean (l[a:b])
  return resultat

Médiane mobile

Un filtre par médiane mobile substitue à une valeur donnée la médiane des valeurs aux alentours, dans un intervalle de largeur \( 2 \cdot n + 1 \). Ce filtrage est efficace pour gommer les valeurs aberrantes.


from numpy import median

def medianeMobile (l, n):
  # Taille de la liste
  taille = len (l)
  # Créer une liste aussi grande que les données
  resultat = [ None ]* taille
  for i in range ( taille ):
    # chercher les bornes de la sous liste dont on doit prendre la mé diane
    a, b = i - n, i + n + 1
    # les bornes doivent compatible avec la liste
    a, b = max (0, a), min(b, taille )
    # Prendre la mé diane
    resultat [i] = median (l[a:b])
  return resultat