L'intuition
Imagine que tu veux faire fonctionner une machine à coudre chez toi. L'énergie, elle ne sort pas de nulle part. D'abord, tu branches la machine à la prise murale : ça, c'est l'alimentation en énergie électrique. Ensuite, quand tu appuies sur la pédale, un système à l'intérieur de la machine gère la quantité d'électricité qui arrive au moteur : c'est la distribution. Le moteur, lui, transforme cette électricité en mouvement de rotation : c'est la conversion. Enfin, ce mouvement de rotation est transmis à l'aiguille pour qu'elle monte et descende : c'est la transmission. Chaque étape est nécessaire pour que la machine fasse son travail. C'est exactement ça, une chaîne d'énergie.
Le cours
La chaîne d'énergie est une représentation fonctionnelle des transformations et des transferts d'énergie au sein d'un système technique. Elle décrit le cheminement de l'énergie de sa source jusqu'à l'action finale. Elle est intrinsèquement liée à la chaîne d'information qui, elle, gère les ordres et les retours d'information pour piloter la chaîne d'énergie.
Un système pluritechnologique est souvent décomposé en blocs fonctionnels pour faciliter son analyse. La chaîne d'énergie est l'un de ces outils d'analyse. Elle est généralement structurée en quatre fonctions principales :
- Alimenter : Apporter l'énergie nécessaire au système.
- Distribuer : Gérer le flux d'énergie en fonction des ordres de la chaîne d'information.
- Convertir : Transformer l'énergie d'une forme à une autre (électrique en mécanique, hydraulique en mécanique, etc.).
- Transmettre : Acheminer l'énergie convertie vers l'organe effecteur.
1. Alimenter
Cette fonction consiste à fournir l'énergie sous une forme utilisable par le système.
- Source d'énergie : C'est l'origine de l'énergie (réseau électrique, batterie, réservoir hydraulique, réservoir de carburant, panneau photovoltaïque, etc.).
- Adaptateur de source : Il peut s'agir de transformateurs (pour adapter la tension), de redresseurs (pour convertir le courant alternatif en continu), de filtres, etc.
Exemple : Un transformateur abaisse la tension du réseau 220V à 24V.
2. Distribuer
Cette fonction a pour rôle de commander le passage de l'énergie vers l'actionneur, en fonction des ordres reçus de la chaîne d'information. Elle adapte l'énergie en termes de débit, de pression, de tension, de courant, etc.
- Pré-actionneurs électriques :
- Relais : Interrupteur commandé électriquement, souvent utilisé pour des puissances faibles ou moyennes.
- Contacteur : Similaire au relais mais conçu pour des puissances plus importantes, typiquement pour les moteurs.
- Variateur de vitesse : Permet de faire varier la vitesse d'un moteur électrique en agissant sur la fréquence et/ou la tension d'alimentation.
- Pré-actionneurs pneumatiques/hydrauliques :
- Distributeur : Oriente le fluide (air comprimé ou huile) vers les différentes chambres d'un vérin ou d'un moteur hydraulique/pneumatique.
3. Convertir
C'est l'étape où l'énergie est transformée d'une forme à une autre pour produire l'action mécanique souhaitée.
- Actionneurs électriques :
- Moteur électrique (asynchrone, continu, pas à pas) : Convertit l'énergie électrique en énergie mécanique de rotation.
- Actionneurs pneumatiques/hydrauliques :
- Vérin (simple ou double effet) : Convertit l'énergie pneumatique/hydraulique en énergie mécanique de translation.
- Moteur hydraulique/pneumatique : Convertit l'énergie pneumatique/hydraulique en énergie mécanique de rotation.
4. Transmettre
Cette fonction assure le transfert de l'énergie mécanique de l'actionneur vers l'organe effecteur, en adaptant souvent les caractéristiques du mouvement (vitesse, couple, force).
- Liaisons mécaniques :
- Engrenages : Permettent de modifier le couple et la vitesse de rotation.
- Courroies et poulies : Transmettent le mouvement de rotation à distance, avec ou sans réduction.
- Chaînes et pignons : Similaires aux courroies mais pour des efforts plus importants.
- Accouplements : Relient deux arbres en rotation.
- Systèmes vis-écrou, crémaillère-pignon : Transforment un mouvement de rotation en translation.
Calcul des puissances et rendement
La maîtrise des calculs de puissance et de rendement est fondamentale.
-
Puissance électrique :
- En courant continu (DC) : (en Watts, W)
- : tension en Volts (V)
- : courant en Ampères (A)
- En courant alternatif monophasé (AC) :
- En courant alternatif triphasé (AC) :
- : tension entre phases (V)
- : courant de ligne (A)
- : facteur de puissance (sans unité, entre 0 et 1)
- En courant continu (DC) : (en Watts, W)
-
Puissance mécanique de rotation :
- (en Watts, W)
- : couple en Newton-mètres (N.m)
- : vitesse angulaire en radians par seconde (rad/s)
- Si la vitesse est donnée en tours par minute (tr/min) :
- : vitesse de rotation en tr/min
- (en Watts, W)
-
Puissance mécanique de translation :
- (en Watts, W)
- : force en Newtons (N)
- : vitesse en mètres par seconde (m/s)
- (en Watts, W)
-
Puissance hydraulique/pneumatique :
- Formule générale : (en Watts, W)
- : pression en Pascals (Pa)
- : débit volumique en mètres cubes par seconde (m/s)
- Formule spécifique pour l'eau (utilisée en annales) : ou, si est en :
- : masse volumique de l'eau (environ )
- : accélération de la pesanteur (environ )
- : hauteur manométrique totale en (m)
- : débit d'eau en (m/s) ou (m/h)
- Le facteur dans la deuxième formule vient de la conversion de de en () et de .
- Formule générale : (en Watts, W)
-
Rendement () :
- (sans unité, souvent exprimé en %)
- Le rendement est toujours inférieur à 1 (ou 100%). Il caractérise l'efficacité d'un composant ou d'un système à transformer l'énergie sans pertes.
Modélisation et analyse des performances
La chaîne d'énergie est un outil d'analyse fonctionnelle. Elle permet de modéliser le système et d'en analyser les performances.
- Analyse fonctionnelle : Identifier les fonctions techniques et les solutions technologiques associées à chaque bloc de la chaîne.
- Calculs : Déterminer les puissances, couples, vitesses, forces et rendements à chaque étape.
- Validation et critique : Comparer les performances calculées aux exigences du cahier des charges. Un faible rendement, par exemple, peut indiquer un besoin de revoir le dimensionnement ou la technologie utilisée.
Exemple résolu
Reprenons un extrait d'annale pour appliquer ces notions.
Extrait d'annale : "La motopompe est un ensemble intégré constitué d'une pompe et d'un moteur asynchrone triphasé. Ce dernier est alimenté sous une tension entre phases V - 50 Hz et possède 2 pôles. La tension composée aux bornes de la motopompe dépend de l'ensoleillement ; pour un ensoleillement fort la motopompe fonctionne au point nominal. En fonctionnement nominal, les caractéristiques du moteur sont :
- Le courant nominal en ligne : A
- La puissance utile du moteur : kW
- Le facteur de puissance du moteur :
- La vitesse de rotation nominale du moteur : tr/min
Tâche 2 : Calcul de puissances. Cette tâche consiste à calculer la puissance hydraulique moyenne nécessaire pour déplacer un volume d'eau d'une hauteur manométrique totale m, et la puissance électrique quotidienne fournie par les modules photovoltaïques. La puissance nécessaire est donnée par la relation suivante : Où : : puissance hydraulique en (W) : débit d'eau en (m/h) : hauteur manométrique totale en (m) . On suppose que le rendement de la pompe est et que le débit .
Questions :
- Calculer la puissance absorbée par le moteur asynchrone ().
- Calculer le rendement du moteur asynchrone ().
- Calculer la puissance hydraulique () fournie par la pompe.
- Déterminer la puissance mécanique absorbée par la pompe ().
- Représenter la chaîne d'énergie de la motopompe et y placer les puissances calculées.
Résolution :
-
Calcul de la puissance absorbée par le moteur asynchrone () Le moteur est triphasé, donc la puissance absorbée est donnée par :
-
Calcul du rendement du moteur asynchrone () Le rendement est le rapport de la puissance utile sur la puissance absorbée : Critique : Un rendement supérieur à 1 est physiquement impossible. Cela indique une incohérence dans les données de l'énoncé de l'annale. Pour la suite de l'exercice, nous allons corriger la puissance utile du moteur pour qu'elle soit cohérente avec un rendement réaliste. Supposons un rendement moteur typique de . Alors, . Nous utiliserons pour la suite.
-
Calcul de la puissance hydraulique () fournie par la pompe La formule est donnée : Avec , , .
-
Détermination de la puissance mécanique absorbée par la pompe () La puissance hydraulique est la puissance utile de la pompe. La puissance absorbée par la pompe est liée à son rendement : Donc, La puissance utile du moteur () est la puissance absorbée par la pompe (). Ici, et . Cela signifie que le moteur est surdimensionné par rapport à la pompe, ou que la pompe fonctionne très en dessous de sa capacité maximale.
-
Représentation de la chaîne d'énergie de la motopompe
graph TD A[Source électrique] --> B(Alimenter : Transformateur/Redresseur) B --> C(Distribuer : Contacteur/Variateur) C --> D(Convertir : Moteur asynchrone) D -- = 46,75 kW --> E(Transmettre : Accouplement) E -- = 10,9 kW --> F(Convertir : Pompe) F -- = 8,175 kW --> G(Transmettre : Eau) G --> H[Action : Déplacement d'eau]subgraph Moteur D end subgraph Pompe F endNote : Dans cet exemple, l'accouplement entre le moteur et la pompe est considéré comme un élément de transmission. La puissance utile du moteur est la puissance absorbée par la pompe.
La méthode
Pour aborder les questions sur la chaîne d'énergie à l'examen, suis ces étapes :
- Lire et comprendre le dossier technique : Identifie le système, son objectif, et les différentes technologies utilisées.
- Identifier les fonctions de la chaîne d'énergie : Pour chaque composant majeur, détermine s'il participe à l'alimentation, la distribution, la conversion ou la transmission.
- Tracer la chaîne d'énergie : Utilise des blocs fonctionnels et des flèches pour représenter le flux d'énergie. Indique clairement les types d'énergie (électrique, mécanique, hydraulique, etc.) et les puissances si elles sont connues ou calculables.
- Repérer les données : Extrais toutes les valeurs numériques (tensions, courants, couples, vitesses, débits, rendements, etc.) de l'énoncé. Fais attention aux unités !
- Appliquer les formules de puissance et de rendement :
- Choisis la formule adaptée au type d'énergie (électrique, mécanique, hydraulique).
- Assure-toi que toutes les unités sont cohérentes (par exemple, en rad/s, pas en tr/min sans conversion).
- N'oublie pas les facteurs de puissance () pour l'alternatif.
- Utilise le rendement pour passer de la puissance absorbée à la puissance utile, ou inversement.
- Calculer et vérifier : Effectue les applications numériques avec rigueur. Vérifie la vraisemblance de tes résultats (un rendement ne peut pas être supérieur à 1, une puissance utile ne peut pas être supérieure à une puissance absorbée).
- Analyser et critiquer : Compare tes résultats aux exigences du cahier des charges. Si un rendement est faible, si un composant est surdimensionné ou sous-dimensionné, mentionne-le. Cela montre ta capacité à valider les performances.
Pièges classiques
- Unités : C'est le piège le plus fréquent.
- Vitesse de rotation : Toujours convertir les tr/min en rad/s pour les calculs de puissance mécanique ().
- Débit : Attention si le débit est en m/h et que la formule attend des m/s. Le facteur dans la formule de puissance hydraulique est là pour ça.
- Puissances : S'assurer que toutes les puissances sont en Watts (W) ou en kilowatts (kW) pour les calculs de rendement.
- Facteur de puissance () : Oublier de l'inclure dans les calculs de puissance électrique en courant alternatif.
- Rendement :
- Confondre puissance utile et puissance absorbée. La puissance utile est toujours inférieure à la puissance absorbée.
- Oublier que le rendement global d'une chaîne est le produit des rendements de chaque maillon : .
- Incohérences des données : Comme dans l'exemple résolu, il arrive que les données d'un énoncé soient légèrement incohérentes. Il faut le signaler et faire une hypothèse raisonnable pour continuer (par exemple, ajuster une valeur pour que le rendement soit réaliste).
- Protection des personnes (Schémas de liaison à la terre) : Bien que ce ne soit pas directement un calcul de puissance, les annales incluent souvent des questions sur la sécurité électrique (Tâche 4 dans les extraits). Il faut connaître les significations des lettres des schémas (TT, TN, IT) et les dispositifs de protection associés (disjoncteur différentiel, DDR).
- TT : Neutre du transformateur relié à la terre, masses des récepteurs reliées à la terre. Protection par DDR.
- TN : Neutre du transformateur relié à la terre, masses des récepteurs reliées au neutre (ou à un conducteur de protection confondu avec le neutre). Protection par disjoncteur ou fusible.
- IT : Neutre du transformateur isolé de la terre (ou impédance élevée), masses des récepteurs reliées à la terre. Signalisation du premier défaut, coupure au deuxième défaut.
Ce qui tombe à l'examen
Le chapitre sur la chaîne d'énergie est fondamental et se retrouve dans la partie "Analyse fonctionnelle & structurelle" (environ 25% de la note). Les questions sont souvent intégrées dans l'étude d'un système technique réel.
Formats de questions réels :
- Diagrammes fonctionnels :
- Compléter un diagramme "Bête à cornes" ou "Pieuvre" pour définir le besoin et les fonctions de service.
- Identifier les fonctions techniques et les solutions technologiques d'un système.
- Tracer ou compléter une chaîne d'énergie ou d'information.



- Calculs de puissances et rendements :
- Calculer la puissance électrique absorbée par un moteur, un transformateur.
- Calculer la puissance mécanique utile d'un actionneur (moteur, vérin).
- Calculer la puissance hydraulique ou pneumatique.
- Déterminer le rendement d'un composant (moteur, réducteur, pompe) ou le rendement global du système.
- Dimensionner un actionneur ou un pré-actionneur en fonction des puissances requises.
- Exemple : "Calculer la puissance hydraulique moyenne nécessaire pour déplacer un volume d'eau..." ou "Détermination des caractéristiques de la motopompe... courant nominal en ligne "
- Analyse et validation :
- Comparer les performances calculées aux exigences du cahier des charges.
- Justifier le choix d'un composant (ex: type de moteur, type de transmission).
- Critiquer les performances d'un système (ex: rendement trop faible, composant inadapté).
- Sécurité électrique :
- Identifier le schéma de liaison à la terre (TT, TN, IT).
- Nommer les dispositifs de protection des personnes (DDR, disjoncteur).
- Calculer des courants de défaut ou des tensions de contact.

Pondération et attendus :
Les calculs représentent environ 40% de la note. La capacité à analyser et modéliser (25%) et à valider/critiquer les performances (30%) est également très valorisée. Il est crucial de montrer une compréhension globale du système, pas seulement d'appliquer des formules. La lecture correcte du dossier technique et la justesse des modèles sont des attendus clés.
