GENERALITES SUR LES MACHINES ELECTRIQUES

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GENERALITES SUR LA TELECOMMANDE

 Historiques et définitions

 La télécommande

Historiques

La télécommande sans fil pour téléviseur est née grâce à la société Zenith Electronics qui, dans les années 1950, avait demandé à Léo Cirésa et à une vingtaine d’ingénieurs de développer un moyen de changer à distance les chaînes de télévision, sans avoir à se déplacer jusqu’au poste de télévision.
Ce sont Robert Adler et Eugene Polley qui ont véritablement inventé la première télécommande à ultrasons, en 1956. Les deux créateurs se sont vu décerner divers prix, comme celui du Prix technique de l’Institut des ingénieurs radio en 1958 ou celui de l’Académie des sciences et des arts de la télévision en 1997.

Définition

La télécommande est un dispositif, généralement de taille réduite, servant à en manipuler un autre à distance, par câble, infrarouge ou ondes radio. Les télécommandes servent à interagir avec des jouets, des appareils audiovisuels comme une télévision ou une chaîne Hi-fi, un moteur de porte de garage ou de portail, un éclairage, une ouverture des portières d’une voiture, des appareils de topographie, des engins de levage ou de travaux publics, etc.

 Le rayon infrarouge

Historique

Le rayonnement infrarouge est intuitivement perceptible par la simple exposition de la peau à la chaleur émise par une source chaude dans le noir, mais il ne fut prouvé qu’en 1800 par William Herschel, un astronome anglais d’origine allemande, au moyen d’une expérience très simple. En effet, Herschel a eu l’idée de placer un thermomètre à mercure dans le spectre obtenu par un prisme de verre afin de mesurer la chaleur propre à chaque couleur. Le thermomètre indique que la chaleur reçue est la plus forte du côté rouge du spectre, y compris au-delà de la zone de lumière visible, là où il n’y avait plus de lumière. C’était la première expérience montrant que la chaleur pouvait se transmettre indépendamment d’une lumière visible (ce phénomène était parfois appelé à l’époque la chaleur obscure ou rayonnement sombre).

Définition

Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d’une longueur d’onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.
Le nom signifie « en deçà du rouge » (du latin infra : « plus bas »), car l’infrarouge est une onde électromagnétique de fréquence inférieure à celle de la lumière rouge (et donc de longueur d’onde supérieure à celle du rouge qui va de 500 à 780 nm). La longueur d’onde de l’infrarouge est comprise entre 780 nm et 1000000 nm (ou encore entre 0.78 μm à 1000 μm).
L’infrarouge est subdivisé en IR proche (PIR : de 0.78 μm à 1.4 μm), IR moyen (MIR : de 1,4 à 3 μm) et IR lointain (de 3 μm à 1000 μm). Cette classification n’est cependant pas universelle : les frontières varient d’un domaine de compétence à un autre sans que l’on ne puisse donner raison à qui que ce soit. Le découpage peut être lié à la longueur d’onde (ou à la fréquence) des émetteurs, des récepteurs (détecteurs), ou encore aux bandes de transmission atmosphérique.

Les différents types de télécommandes et leurs fonctionnements

Télécommande à infrarouge

L’infrarouge « fabriqué » est émis par une diode infrarouge, petit composant électronique acceptant une tension d’environ 1,5 V à ses bornes, qui transforme un signal électrique en une lumière ayant un spectre de longueur d’onde invisible à l’œil nu et se situant au-dessus du rouge, dit infrarouge (800 Ŕ 1000 nm), mais plus précisément, le sommet de transition se situe vers 940 nm (0,94 μm). Il est cependant possible de capter cette lumière grâce à un appareil photo numérique avec des capteurs faiblement sensibles. Cependant, une modification de la plupart des boîtiers est possible afin d’accroître la sensibilité de l’appareil dans l’infrarouge proche. Cela peut permettre de tester facilement le fonctionnement d’une télécommande.
Ce système est devenu courant à notre époque, servant à donner l’ordre à un automatisme de porte de garage ou de voiture, utilisé pour les télécommandes de TV ou encore pour véhiculer un son dans les casques infrarouges.
L’inconvénient de l’infrarouge est sa propagation : si en intérieur le rayon peut se réfléchir sur les murs, en extérieur il faut viser le récepteur pour ne pas avoir d’erreur de transmission de l’ordre. Bien que modulé entre 30 et 40 kHz, l’infrarouge est perturbé par les néons, les lampes à économie d’énergie ou les rayons du soleil, et ne fonctionne que sur quelques mètres. Aucun obstacle ne doit alors figurer sur le trajet.

Télécommande à Ultrason

Dans les années 1980, Telefunken commercialisait encore un modèle de télécommande à ultrasons. En utilisant cette dernière dans une pièce où se trouvent un homme et un chien, on constate qu’à chaque changement de chaînes, le chien semble perturbé tandis que l’homme ne ressent rien.

Télécommande hertzienne

L’onde porteuse appelée « onde hertzienne » ou « onde radio », est un signal porteur électrique servant à véhiculer des informations électriques non visibles à travers une onde électromagnétique. La portée de l’onde est bien supérieure à celle de l’infrarouge. Ces ondes franchissent aussi de petits obstacles: mur, porte léger, rideau, … Enfin, elle se propage, ce qui permet de ne pas viser directement l’objet à piloter.

Télécommande universelle

Devant la prolifération des appareils pilotables par une télécommande propriétaire, les utilisateurs  se sont retrouvés avec beaucoup de télécommandes à gérer, jusqu’au nombre de dix dans les cas les plus défavorables. Ces télécommandes peuvent comprendre plusieurs éléments à savoir :
• port infrarouge et/ou RF, X10
• port mini USB ou port spécifique pour connexion PC/internet
• bouton, écran LCD rétro éclairé, écran tactile
• un firmware, un système d’exploitation
• un format de fichier ccf (pronto), gml (netremote)
• un protocole de communication dans les deux sens (netremote, pronto)
Les télécommandes peuvent donc prendre la forme d’une télécommande plastique, ou plus évolué tel un pda (une tablette PC) ou une télécommande universelle.
Les télécommandes universelles (célèbre pronto de Philips) sont souvent hérissées de dizaines de boutons quand il s’agit d’un appareil ou d’un contexte particulier. Il existe aussi des télécommandes universelles dont toute ou une partie des boutons sont paramétrables, ou apparaissent sur un écran LCD tactile.

La commande à distance

 CAD par infrarouge

Fonctionnement

La commande électrique est assurée par le rayon infrarouge dont les caractéristiques sont semblables à celles de la lumière c’est-à-dire : la propagation en ligne droite, la réflexion sur les surfaces claires et l’incapacité de traverser les murs. La puissance de l’émission est très faible car la portée est limitée à une vingtaine de mètres.

Application dans la vie quotidienne

La commande à distance par infrarouge présente beaucoup d’avantages comme nous le pouvons constater vu que nos TV ou nos chaînes à haute-fidélité requièrent des télécommandes de ce genre. Par ailleurs, cette technologie a des points forts tels que :
• Transformation rapide de l’installation ;
• Complément rapide d’une installation existante ;
• Suppression des fils et prévention des dangers ;
• Possibilité d’une installation dans des locaux humides ;
• Aucune perturbation dans un milieu sujet à des contraintes électromagnétiques intenses.
La télécommande à distance est beaucoup utilisée dans la vie quotidienne si on ne parle que de son utilisation pour les TV et les autres appareils électriques. L’homme fait appel à elle également dans des secteurs de logement et tertiaire pour :
LOGEMENT :
• Modifier ou ajouter des points de commandes sans refaire le câblage.
• Commander les éclairages et les volets roulant dans une pièce.
TERTIAIRE :
• Commander l’éclairage dans un plateau de bureaux sans refaire le câblage.
• Commander l’éclairage, l’écran, les volets, …dans une salle de conférence, et s’adapter rapidement à des configurations variables.

CAD par courant porteur

Fonctionnement

Cette technologie consiste à se servir du réseau existant 220V pour transmettre des messages codés. Les signaux transmis par courant porteur sont superposés (additionnés) à la tension 220V du secteur. Leur amplitude (de l’ordre de 1volt) est sans effet sur les appareils qui sont raccordés au réseau mais est détectée par le récepteur courant porteur.

Application dans la vie quotidienne

Ce type de commande est le moins connu du grand public et donc le moins utilisé. Cependant, on ne peut nier qu’il possède des points forts ainsi que de grands avantages tels que :
• Commande depuis tout point de l’installation ;
• Simplicité d’installation ;
• Courant porteur se propageant dans toute l’installation électrique ;
• Limitation de propagation grâce à seulement un filtre modulaire ;
• Aucune contrainte de maintenance (pas de piles).
Après avoir vu tous les avantages de cette technologie peu connue, nous allons en voir quelques applications :
LOGEMENT :
• Centralisation des commandes de volets roulants.
• Commande à distance par téléphone.
TERTIAIRE :
• Commande d’éclairage, des volets…dans une chambre d’hôtel sans avoir recours à une refonte du câblage.
• Commande d’éclairage, d’écran, des volets…dans une salle de réunion.

CAD par radio

Fonctionnement et avantages

Les transmissions sont ici assurées par des ondes hertziennes à 433 Mhz. Cette technologie présente des caractéristiques identiques à celles de la radiophonie qui est tout à fait reconnue par tous, et notamment la propagation à travers les murs.
Pour tout appareil radioélectrique, nous avons besoin d’allouer une fréquence. La fréquence choisie par les fournisseurs est de 433,92 Mhz pour plusieurs raisons. Les avantages de cette fréquence sont :
• Ondes plus courtes pour une meilleure qualité d’émission ;
• Antenne plus courte : 17 cm (33 cm en 224 Mhz) ;
• Pas de perturbation par les fréquences de canal + et de l’armée ;
• Moins sensible aux parasites industriels ;
• Moindre affaiblissement lors de traversée des murs béton et briques ;
• Meilleure traversée des cloisons avec armatures métalliques.

Application dans la vie quotidienne

Comme dans les deux premières parties, nous allons voir quelques exemples d’applications :
LOGEMENT :
• Installer des points de commande dans un escalier, sans refaire le câblage.
• Actionner un portail depuis l’intérieur ou depuis la voiture.
• Actionner un carillon sans câble souterrain entre la sonnette et l’habitation.
• Commander l’éclairage dans un plateau de bureaux, par zones.
• Commander les éclairages, les stores, la ventilation…dans un restaurant, une salle d’exposition, un commerce.
La commande à distance par radio permet de traverser les murs mais il y a des pertes plus ou moins importantes dues aux différents matériaux :
• Pour le bois, le plâtre ou le Placoplatre : 5 à 20 % de pertes ;
• Pour la brique : 20 à 40 % de pertes ;
• Pour le béton armé : 40 à 90 % de pertes ;
• Pour le bardage métallique ou le pare-vapeur aluminium : 90 à 100 %.

GENERALITES SUR LES MACHINES ELECTRIQUES

Historique et définition

Historique

En 1821, après la découverte du phénomène du lien entre électricité et magnétisme, l’électromagnétisme, par le chimiste danois Œrsted, le physicien anglais Michael Faraday construit deux appareils pour produire ce qu’il appela une rotation électromagnétique : le mouvement circulaire continu d’une force magnétique autour d’un fil, d’où la démonstration du premier moteur électrique.
Le premier brevet n°391968 du moteur électrique actuel, à courant alternatif, est déposé par le physicien d’origine serbe Nikola Tesla en 1887.
La paternité de la machine asynchrone est controversée entre trois inventeurs : en 1887, le physicien Nikola Tesla dépose un brevet sur la machine asynchrone, puis en mai de l’année suivante cinq autres brevets. Pendant la même période Galileo Ferraris publie des traités sur les machines tournantes, avec une expérimentation en 1885, puis une théorie sur le moteur asynchrone en avril 1888. En 1889, Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski, électricien allemand d’origine russe, invente le premier moteur asynchrone à courant triphasé à cage d’écureuil qui sera construit industriellement à partir de 1891.

Définition

Une machine électrique est un dispositif électromécanique permettant la conversion d’énergie électrique en travail ou en énergie mécanique. La plupart des machines électriques fonctionnent grâce au magnétisme, mais il existe aussi des machines électrostatiques utilisant l’effet piézo-électrique.

Les types de machines

La machine à courant continu

Comme toutes les machines tournantes, les machines électriques à courant continu sont constituées d’un stator et d’un rotor. Le stator crée une magnétisation longitudinale fixe à l’aide d’enroulements (inducteur) ou d’aimants permanents. Le rotor est constitué d’un ensemble de bobines reliées à un collecteur rotatif. Le collecteur rotatif permet de maintenir fixe la direction transversale de magnétisation du rotor lorsque celui-ci tourne. Grâce à ce dispositif, les magnétisations, rotorique et statorique, sont toujours décalées de façon optimale (en quadrature). Ce décalage provoque un couple selon la loi du flux maximum (un pôle nord attire un pôle sud), provoquant ainsi la rotation du rotor.

La machine à courant alternatif

Pour les applications de faible et moyenne puissance (jusqu’à quelques kilowatts), le réseau monophasé standard suffit. Pour des applications de forte puissance, les moteurs alternatifs sont généralement alimentés par une source de courant polyphasé. Le système le plus fréquemment utilisé est alors le triphasé (phases décalées de 120°) utilisé par les distributeurs d’électricité.
Ces moteurs alternatifs se déclinent en trois types :
• Les moteurs universels ;
• Les moteurs asynchrones ;
• Les moteurs synchrones.
Ces deux dernières machines ne se diffèrent que par le rotor.

Les moteurs universels

Un moteur universel est un moteur électrique fonctionnant sur le même principe qu’une machine à courant continu à excitation série : le rotor est connecté en série avec l’enroulement inducteur. Le couple de cette machine, indépendant du sens de circulation du courant, est proportionnel au carré de son intensité. Il peut donc être alimenté indifféremment en courant continu ou en courant alternatif, d’où son nom. Pour limiter les courants de Foucault qui apparaissent systématiquement dans toutes les zones métalliques massives soumises à des champs magnétiques alternatifs, son stator et son rotor sont feuilletés.

Les moteurs synchrones

La machine synchrone est souvent utilisée comme génératrice. On l’appelle alors alternateur. Mis à part pour la réalisation de groupe électrogène de faible puissance, cette machine est généralement triphasée. Pour la production d’électricité, les centrales électriques utilisent des alternateurs dont les puissances peuvent avoisiner les 1500 MW.
Ce type de machine peut être utilisé pour relever le facteur de puissance d’une installation. On appelle celle-ci un compensateur synchrone.
Les machines synchrones sont également utilisées dans les systèmes de traction (tel que le TGV). Ces machines sont associées à des onduleurs de courants, ce qui permet de fixer le couple moteur moyen constant avec un minimum de courant. On parle d’autopilotage (asservissement des courants statoriques par rapport à la position du rotor).

Les moteurs asynchrones

La machine asynchrone, connue également sous le terme « anglo-saxon » de machine à induction, est une machine à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de ces machines n’est pas forcément proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent.
La machine asynchrone a longtemps été fortement concurrencée par la machine synchrone dans les domaines de forte puissance, jusqu’à l’avènement de l’électronique de puissance. On la retrouve aujourd’hui dans de nombreuses applications, notamment dans le transport (métro, trains, propulsion des navires), de l’industrie (machines-outils), dans l’électroménager. A l’origine elles étaient utilisées uniquement en moteur mais, dès l’apparition de l’électronique de puissance, elles sont de plus en plus souvent utilisées en génératrice. C’est par exemple le cas dans les éoliennes.
Pour fonctionner en courant monophasé, ces machines nécessitent un système de démarrage : condensateur en série sur l’un des enroulements (P max. 6 kW) ou bague de démarrage (P max. 400 W). Les moteurs à bague de démarrage sont employés dans les hottes aspirantes, pompes de vidange de machine à laver et ventilateurs car le couple de démarrage est extrêmement faible. Pour les applications de puissance, au-delà de 6 kilowatts, les moteurs asynchrones sont uniquement alimentés par des systèmes de courants triphasés.

Les moteurs sans balais

Un moteur sans balais, ou « moteur brushless », est un moteur synchrone dont le rotor est constitué d’un ou de plusieurs aimants permanents et pourvu d’origine d’un capteur de position rotorique (capteur à effet Hall, synchro-résolver, codeur incrémental par exemple). Vu de l’extérieur, il fonctionne en courant continu. Son appellation Brushless vient du fait qu’il ne contient aucun balai. Par contre un système électronique de commande doit assurer la commutation du courant dans les enroulements statoriques. Ce dispositif peut être, soit intégré au moteur pour les petites puissances, soit extérieur. Le rôle de l’ensemble capteur-électronique de commande est d’assurer l’auto-pilotage du moteur, c’est-à-dire le maintien de l’orthogonalité du flux magnétique rotorique par rapport au flux statorique, rôle autrefois dévolu à l’ensemble balais-collecteur sur une machine à courant continu.
Les moteurs brushless équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD de nos ordinateurs. Ils sont également très utilisés en modélisme pour faire mouvoir des modèles réduits d’avions, d’hélicoptères et de voitures ainsi que dans l’industrie, en particulier dans les servomécanismes des machines-outils et en robotique .

Les moteurs pas à pas

Un autre genre de moteur électrique est le moteur pas à pas. Un rotor interne contenant des aimants permanents est déplacé par un ensemble d’électroaimants placés dans le stator et commutés par une électronique de puissance. L’alimentation ou non de chacun définit une position angulaire différente (l’enchaînement permet le mouvement). Les moteurs pas à pas simples ont un nombre limité de positions, mais les moteurs pas à pas à commande proportionnelle (alimentation variable des bobines) peuvent être extrêmement précis. On parle alors de « micro pas » puisque le moteur peut s’équilibrer entre deux pas.
Ces moteurs commandés par une électronique numérique sont une des formes les plus souples des systèmes de positionnement, en particulier dans les organes servocommandées numériquement : par exemple, les moteurs de positionnement des têtes de lecture/écriture des disques durs d’ordinateur ont longtemps été positionnées par ce type de moteur, désormais trop lents pour cette application, ils ont été remplacés par des moteurs linéaires à impulsion beaucoup plus rapides.

Les moteurs linéaires

Un moteur linéaire est essentiellement un moteur électrique qui « a été déroulé » de sorte qu’au lieu de produire un couple (rotation), il produise une force linéaire sur sa longueur en installant un champ électromagnétique de déplacement. Ces moteurs se divisent en deux grands groupes :
• ceux à accélération faible, utilisés dans le transport aussi bien le Transrapid que le SkyTrain ;
• et ceux à accélération rapide dans les armes comme le canon magnétique et les engins spatiaux.
Dans la même catégorie figurent les Pompes électromagnétiques à induction qui permettent de véhiculer un fluide conducteur. Les premiers essais de ce type de pompe ont été faits avec du mercure, puis du NaK (mélange de Sodium/Potassium). Les grandes réalisations industrielles concernent la circulation du sodium dans certains types de réacteurs nucléaires et des pompes doseuses d’aluminium liquide.

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Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE 1 : CONTEXTE GENERAL
CHAPITRE 1. GENERALITES SUR LES PORTAILS
1.1 Etymologie et définitions
1.2 Les différents types de portails existants
1.2.1 Coulissant
1.2.2 Battant
1.2.3 Porte basculante
1.2.4 Rideau métallique
1.2.5 Barrière automatique
CHAPITRE 2. GENERALITES SUR LA TELECOMMANDE
2.1 Historiques et définitions
2.1.1 La télécommande
2.1.2 Le rayon infrarouge
2.2 Les différents types de télécommandes et leurs fonctionnements
2.2.1 Télécommande à infrarouge
2.2.2 Télécommande à Ultrason
2.2.3 Télécommande hertzienne
2.2.4 Télécommande universelle
2.3 La commande à distance
2.3.1 CAD par infrarouge
2.3.2 CAD par courant porteur
2.3.3 CAD par radio
CHAPITRE 3. GENERALITES SUR LES MACHINES ELECTRIQUES
3.1 Historique et définition
3.2 Les types de machines
3.2.1 La machine à courant continu
3.2.2 La machine à courant alternatif
3.3 Autres types de moteurs
3.3.1 Les moteurs sans balais
3.3.2 Les moteurs pas à pas
3.3.3 Les moteurs linéaires
PARTIE 2 : METHODOLOGIES
CHAPITRE 4. CONCEPTION ET REALISATION DU PORTAIL
4.1 Choix de la variante
4.2 Choix des matériaux pour le portail
4.2.1 Comparaison des matériaux
4.2.2 Formes et dimensions des matériaux
4.2.3 Usage
4.3 Dimensionnements
4.3.1 Dimensions avant-projet
4.3.2 Dimensions des paramètres du portail
4.3.3 Dimensions des accessoires et caractéristiques du portail
CHAPITRE 5. CONCEPTION ET REALISATION DE LA TELECOMMANDE
5.1 Constitution du cahier de charge
5.2 Le circuit émetteur
5.2.1 Introduction
5.2.2 Limites du code RC5
5.2.3 Constitution d’une trame en code RC5
5.2.4 Détail d’un bit
5.2.5 Détail d’une trame
5.2.6 Principe général du signal de la télécommande
5.3 Le circuit récepteur
5.3.1 Schéma synoptique général du récepteur
5.3.2 Les différents éléments qui constituent le schéma électrique
5.4 Rôles de chaque composant
5.4.1 Le transformateur :
5.4.2 Le pont de diode :
5.4.3 Les résistances :
5.4.4 Les condensateurs:
5.4.5 Les diodes LED :
5.4.6 Les transistors :
5.4.7 Relais :
5.4.8 Diode de roue libre :
5.4.9 Cristal quartz :
5.4.10 Microcontrôleur :
5.4.11 Opto-coupleur :
5.4.12 Régulateur intégré :
5.5 Brochage du PIC 16F84
CHAPITRE 6. CONCEPTION ET REALISATION DU MOTOREDUCTEUR
6.1 Choix du moteur électrique
6.2 Caractéristiques du moteur choisi
6.3 Dimensionnement du pignon
PARTIE 3 : APPLICATIONS-RESULTATS-DISCUSSIONS
CHAPITRE 7. RESULTAT POUR LE PORTAIL
7.1 Schéma après projet
7.2 Tableau de toutes les valeurs engendrées
7.3 Schéma réel de la réalisation
CHAPITRE 8. RESULTAT POUR LA TELECOMMANDE
8.1 L’émetteur
8.2 Le récepteur
CHAPITRE 9. RESULTAT POUR LE MOTEUR
9.1 Schémas réels
9.2 Valeurs de tous les résultats sous forme de tableau
PARTIE 4 : IMPACTS ECONOMIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX
CHAPITRE 10. ETUDE DE RENTABILITE ECONOMIQUE
10.1 Devis estimatifs des prix d’achats des matériaux
10.2 Comparaison
CHAPITRE 11. LES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
11.1 Impacts positifs
11.1.1 Aisance
11.1.2 Sécurités dues à la commande à distance
11.2 Impacts négatifs
11.2.1 Les risques qui peuvent se présenter
11.2.2 Panne imprévue
11.3 Solutions et mesures d’atténuations
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIES

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