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Chaîne d'énergie

Sciences de l'Ingénieur · 2ème Bac Sciences et Technologies Électriques · 59 exercices

Méthode officielle

Suivre le flux d'énergie : Alimenter (source, transformateur, redresseur) -> Distribuer (pré-actionneur : relais, contacteur, distributeur pneumatique, variateur) -> Convertir (actionneur : moteur, vérin) -> Transmettre. Calculer puissances (P = U.I, P = C.oméga), rendement (η = Pu/Pa), dimensionner l'actionneur.

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 :

  1. Alimenter : Apporter l'énergie nécessaire au système.
  2. Distribuer : Gérer le flux d'énergie en fonction des ordres de la chaîne d'information.
  3. Convertir : Transformer l'énergie d'une forme à une autre (électrique en mécanique, hydraulique en mécanique, etc.).
  4. 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) : P=UIP = U \cdot I (en Watts, W)
      • UU : tension en Volts (V)
      • II : courant en Ampères (A)
    • En courant alternatif monophasé (AC) : P=UIcos(ϕ)P = U \cdot I \cdot \cos(\phi)
    • En courant alternatif triphasé (AC) : P=3UIcos(ϕ)P = \sqrt{3} \cdot U \cdot I \cdot \cos(\phi)
      • UU : tension entre phases (V)
      • II : courant de ligne (A)
      • cos(ϕ)\cos(\phi) : facteur de puissance (sans unité, entre 0 et 1)
  • Puissance mécanique de rotation :

    • P=CωP = C \cdot \omega (en Watts, W)
      • CC : couple en Newton-mètres (N.m)
      • ω\omega : vitesse angulaire en radians par seconde (rad/s)
    • Si la vitesse est donnée en tours par minute (tr/min) : ω=2πN60\omega = \frac{2 \cdot \pi \cdot N}{60}
      • NN : vitesse de rotation en tr/min
  • Puissance mécanique de translation :

    • P=FvP = F \cdot v (en Watts, W)
      • FF : force en Newtons (N)
      • vv : vitesse en mètres par seconde (m/s)
  • Puissance hydraulique/pneumatique :

    • Formule générale : P=PressionQdeˊbitP = P_{ression} \cdot Q_{débit} (en Watts, W)
      • PressionP_{ression} : pression en Pascals (Pa)
      • QdeˊbitQ_{débit} : débit volumique en mètres cubes par seconde (m3^3/s)
    • Formule spécifique pour l'eau (utilisée en annales) : Ph=ρgHQm3/s1P_h = \frac{\rho \cdot g \cdot H \cdot Q_{m^3/s}}{1} ou, si QQ est en m3/hm^3/h: Ph=gHQm3/h3,6P_h = \frac{g \cdot H \cdot Q_{m^3/h}}{3,6}
      • ρ\rho: masse volumique de l'eau (environ 1000 kg/m31000 \text{ kg/m}^3)
      • gg : accélération de la pesanteur (environ 9,81 m/s29,81 \text{ m/s}^2)
      • HH : hauteur manométrique totale en (m)
      • QQ : débit d'eau en (m3^3/s) ou (m3^3/h)
      • Le facteur 3,63,6 dans la deuxième formule vient de la conversion de QQ de m3/hm^3/h en m3/sm^3/s (1 h=3600 s1 \text{ h} = 3600 \text{ s}) et de ρg9810 N/m3\rho \cdot g \approx 9810 \text{ N/m}^3.
  • Rendement (η\eta) :

    • η=PutilePabsorbeˊe\eta = \frac{P_{utile}}{P_{absorbée}} (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 U=220U = 220 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 : IN=180,66I_N = 180,66 A
  • La puissance utile du moteur : Pumoteur=103,45P_{umoteur} = 103,45 kW
  • Le facteur de puissance du moteur : cos(ϕ)=0,8\cos(\phi) = 0,8
  • La vitesse de rotation nominale du moteur : Nmoteur=1440N_{moteur} = 1440 tr/min

Tâche 2 : Calcul de puissances. Cette tâche consiste à calculer la puissance hydraulique moyenne PhP_h nécessaire pour déplacer un volume d'eau d'une hauteur manométrique totale H=20H = 20 m, et la puissance électrique quotidienne PeP_e fournie par les modules photovoltaïques. La puissance PhP_h nécessaire est donnée par la relation suivante : Ph=gHQ3,6P_h = \frac{g \cdot H \cdot Q}{3,6} Où : PhP_h : puissance hydraulique en (W) QQ : débit d'eau en (m3^3/h) HH : hauteur manométrique totale en (m) g=9,81 m/s2g = 9,81 \text{ m/s}^2. On suppose que le rendement de la pompe est ηp=0,75\eta_p = 0,75 et que le débit Q=150 m3/hQ = 150 \text{ m}^3/\text{h}.

Questions :

  1. Calculer la puissance absorbée par le moteur asynchrone (PamoteurP_{amoteur}).
  2. Calculer le rendement du moteur asynchrone (ηmoteur\eta_{moteur}).
  3. Calculer la puissance hydraulique (PhP_h) fournie par la pompe.
  4. Déterminer la puissance mécanique absorbée par la pompe (PapompeP_{apompe}).
  5. Représenter la chaîne d'énergie de la motopompe et y placer les puissances calculées.

Résolution :

  1. Calcul de la puissance absorbée par le moteur asynchrone (PamoteurP_{amoteur}) Le moteur est triphasé, donc la puissance absorbée est donnée par : Pamoteur=3UINcos(ϕ)P_{amoteur} = \sqrt{3} \cdot U \cdot I_N \cdot \cos(\phi) Pamoteur=3220 V180,66 A0,8P_{amoteur} = \sqrt{3} \cdot 220 \text{ V} \cdot 180,66 \text{ A} \cdot 0,8 Pamoteur55000 W=55 kWP_{amoteur} \approx 55000 \text{ W} = 55 \text{ kW}

  2. Calcul du rendement du moteur asynchrone (ηmoteur\eta_{moteur}) Le rendement est le rapport de la puissance utile sur la puissance absorbée : ηmoteur=PumoteurPamoteur\eta_{moteur} = \frac{P_{umoteur}}{P_{amoteur}} ηmoteur=103,45 kW55 kW\eta_{moteur} = \frac{103,45 \text{ kW}}{55 \text{ kW}} ηmoteur1,88\eta_{moteur} \approx 1,88 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 ηmoteur=0,85\eta_{moteur} = 0,85. Alors, Pumoteur=Pamoteurηmoteur=55 kW0,85=46,75 kWP_{umoteur} = P_{amoteur} \cdot \eta_{moteur} = 55 \text{ kW} \cdot 0,85 = 46,75 \text{ kW}. Nous utiliserons Pumoteur=46,75 kWP_{umoteur} = 46,75 \text{ kW} pour la suite.

  3. Calcul de la puissance hydraulique (PhP_h) fournie par la pompe La formule est donnée : Ph=gHQ3,6P_h = \frac{g \cdot H \cdot Q}{3,6} Avec g=9,81 m/s2g = 9,81 \text{ m/s}^2, H=20 mH = 20 \text{ m}, Q=150 m3/hQ = 150 \text{ m}^3/\text{h}. Ph=9,81201503,6P_h = \frac{9,81 \cdot 20 \cdot 150}{3,6} Ph=294303,6P_h = \frac{29430}{3,6} Ph8175 W=8,175 kWP_h \approx 8175 \text{ W} = 8,175 \text{ kW}

  4. Détermination de la puissance mécanique absorbée par la pompe (PapompeP_{apompe}) La puissance hydraulique PhP_h est la puissance utile de la pompe. La puissance absorbée par la pompe est liée à son rendement : ηp=PhPapompe\eta_p = \frac{P_h}{P_{apompe}} Donc, Papompe=PhηpP_{apompe} = \frac{P_h}{\eta_p} Papompe=8,175 kW0,75P_{apompe} = \frac{8,175 \text{ kW}}{0,75} Papompe10,9 kWP_{apompe} \approx 10,9 \text{ kW} La puissance utile du moteur (PumoteurP_{umoteur}) est la puissance absorbée par la pompe (PapompeP_{apompe}). Ici, Pumoteur=46,75 kWP_{umoteur} = 46,75 \text{ kW} et Papompe=10,9 kWP_{apompe} = 10,9 \text{ kW}. Cela signifie que le moteur est surdimensionné par rapport à la pompe, ou que la pompe fonctionne très en dessous de sa capacité maximale.

  5. 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 -- PumoteurP_umoteur = 46,75 kW --> E(Transmettre : Accouplement) E -- PapompeP_apompe = 10,9 kW --> F(Convertir : Pompe) F -- PhP_h = 8,175 kW --> G(Transmettre : Eau) G --> H[Action : Déplacement d'eau]
    subgraph Moteur
        D
    end
    
    subgraph Pompe
        F
    end
    

    Note : 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 :

  1. Lire et comprendre le dossier technique : Identifie le système, son objectif, et les différentes technologies utilisées.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Repérer les données : Extrais toutes les valeurs numériques (tensions, courants, couples, vitesses, débits, rendements, etc.) de l'énoncé. Fais attention aux unités !
  5. 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, ω\omega en rad/s, pas en tr/min sans conversion).
    • N'oublie pas les facteurs de puissance (cos(ϕ)\cos(\phi)) pour l'alternatif.
    • Utilise le rendement pour passer de la puissance absorbée à la puissance utile, ou inversement.
  6. 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).
  7. 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 (P=CωP = C \cdot \omega).
    • Débit : Attention si le débit est en m3^3/h et que la formule attend des m3^3/s. Le facteur 3,63,6 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 (cos(ϕ)\cos(\phi)) : 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 : ηglobal=η1η2ηn\eta_{global} = \eta_1 \cdot \eta_2 \cdot \dots \cdot \eta_n.
  • 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.
    • figure
    • figure
    • figure
  • 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 PhP_h nécessaire pour déplacer un volume d'eau..." ou "Détermination des caractéristiques de la motopompe... courant nominal en ligne IN=...I_N = ..."
  • 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.
    • figure

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.

Exercices corrigés

Exercice 1·Facile

Tâche 4 : Protection des personnes L'installation électrique du pont roulant adopte un schéma de liaison à la terre TT pour son branchement sur le réseau public 230/400V230/400 V. Q.35-Donner la signification de chaque lettre de ce schéma de liaison à la terre. Q.36-Donner le nom du dispositif de protection qui permettra d'assurer la protection des personnes contre les risques de contact électrique indirect. On suppose que l'usine se trouve en milieu humide et que la sensibilité du dispositif de protection est : IΔN=30mAI_{\Delta N} = 30 mA. Q.37-Rappeler la valeur normalisée de la tension limite de sécurité ULU_L et calculer la valeur maximale RuR_u de la résistance de terre de cette installation.

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Q.35- T : Neutre du transformateur est relié à la terre. T : Masse du récepteur est reliée à la terre. Q.36- Dispositif différentiel à courant résiduel (D.D.R) ou Disjoncteur différentiel. Q.37- UL=25VU_L = 25 V. Ru=ULIΔN=2530103=833ΩR_u = \frac{U_L}{I_{\Delta N}} = \frac{25}{30 \cdot 10^{-3}} = 833 \Omega.

Q.35- Expliquer la signification des lettres T et T dans le schéma de liaison à la terre TT. Q.36- Identifier le dispositif de protection contre les contacts indirects dans un schéma TT. Q.37- Rappeler la tension limite de sécurité ULU_L pour un milieu humide. Calculer la résistance de terre maximale RuR_u en utilisant la formule Ru=UL/IΔNR_u = U_L / I_{\Delta N}.

Exercice 2·Facile

SEV 3: ÉTUDE ÉNERGÉTIQUE Toutes les questions de la SEV 3 seront traitées autour du schéma électrique du suiveur Figure 8, DRES 02 d'où l'intérêt de garder devant soi ce schéma lors des réponses aux questions.

• Tâche : CALCUL DE LA CONSOMMATION DU SYSTÈME SUIVEUR Le suiveur, lors du déplacement du module photovoltaïque, absorbe de l'énergie électrique ; on souhaite connaître le pourcentage de cette consommation par rapport à l'énergie produite par le module photovoltaïque par jour d'ensoleillement. Dans le cas d'un module photovoltaïque de 90 m², équipé d'un suiveur et produisant, en moyenne, 128 kWh par jour, l'énergie consommée par le suiveur pendant une année est de 100 kWh.

Q14: Calculer l'énergie W consommée par le suiveur pendant 1 jour, en considérant une consommation uniforme pendant 365 jours. Q15: Calculer, en pourcent (%), le rapport entre l'énergie W consommée par le suiveur et l'énergie électrique (WpW_p) produite par le module photovoltaïque par jour d'ensoleillement. Commenter succinctement le résultat obtenu au niveau de la consommation propre du suiveur.

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Q14: W = 100000 / 365 = 274 Wh/jour Q15: W / Wp = 274 / 128000 = 0.214% Commentaire : la consommation propre du suiveur est négligeable par rapport à la production du module photovoltaïque.

Q14: L'énergie W consommée par le suiveur pendant 1 jour est l'énergie annuelle divisée par le nombre de jours dans l'année: W=100 kWh/365 jours=100000 Wh/365 jours273.97 Wh/jourW = 100 \text{ kWh} / 365 \text{ jours} = 100000 \text{ Wh} / 365 \text{ jours} \approx 273.97 \text{ Wh/jour}. Le corrigé donne 274 Wh/jour. Q15: Le rapport en pourcentage est (W/Wp)×100(W / W_p) \times 100. Wp=128 kWh/jour=128000 Wh/jourW_p = 128 \text{ kWh/jour} = 128000 \text{ Wh/jour}. Donc, (274/128000)×1000.214%(274 / 128000) \times 100 \approx 0.214\%. Le commentaire est que cette consommation est négligeable par rapport à la production.

Exercice 3·Facile

Sur le schéma de la chaîne d'énergie d'un tapis roulant, on trouve : réseau EDF, sectionneur porte-fusibles, contacteur KM, variateur de vitesse, moteur asynchrone, réducteur. Associer chaque constituant à sa fonction générique (Alimenter, Distribuer, Convertir, Transmettre).

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Classement des constituants par fonction de la chaîne d'énergie :

  • ALIMENTER : réseau EDF (source d'énergie électrique) + sectionneur porte-fusibles (isolement et protection).
  • DISTRIBUER (pré-actionneurs, commandés par la partie commande) : contacteur KM (établit/coupe la puissance) et variateur de vitesse (module l'énergie envoyée au moteur).
  • CONVERTIR (actionneur) : moteur asynchrone triphasé (énergie électrique -> énergie mécanique de rotation).
  • TRANSMETTRE (adaptateur) : réducteur à engrenages (adapte vitesse et couple) -> entraîne le tambour du tapis. Le pré-actionneur (contacteur/variateur) reçoit un ordre de faible puissance de la partie commande et commute la forte puissance vers l'actionneur : il fait l'interface entre chaîne d'information et chaîne d'énergie.

Fonctions génériques de la chaîne d'énergie : distinguer source, pré-actionneur, actionneur, transmetteur.

Exercice 4·Facile

Tâche 2 : Calcul de puissances. Cette tâche consiste à calculer la puissance hydraulique moyenne PhP_h nécessaire pour déplacer un volume d'eau d'une hauteur manométrique totale HH, et la puissance électrique quotidienne PeP_e fournie par les modules photovoltaïques. La puissance PhP_h nécessaire est donnée par la relation suivante : Ph=gHQ3,6P_h = \frac{g \cdot H \cdot Q}{3,6} Où : PhP_h : puissance hydraulique en (W) QQ : débit d'eau en (m3^3/h) HH : hauteur manométrique totale en (m) Question : 4. Calculer la valeur de la puissance PhP_h (en W) sachant que le débit d'eau est de 6,7 m3^3/h et que la hauteur H est de 45 mètres (prendre g=10N.kg1g = 10 N.kg^{-1}). [1 pt] En fonctionnement nominal les rendements de la motopompe ηmp\eta_{mp} est de 60 %, de l'onduleur ηond\eta_{ond} est de 90 % et du hacheur ηh\eta_h est de 100 %. On admet que Pe=PhηmpηhηondP_e = \frac{P_h}{\eta_{mp} \cdot \eta_h \cdot \eta_{ond}} Question : 5. Calculer la puissance électrique PeP_e (en W) correspondante. [1 pt] Tâche 3 : Groupement des modules photovoltaïques Le générateur photovoltaïque est constitué de plusieurs modules en silicium (figure 4) et les caractéristiques principales d'un seul module sont les suivantes :

  • Puissance nominale : PMPV=150P_{MPV} = 150 W ;
  • Tension nominale : VMPV=34,5V_{MPV} = 34,5 V ;
  • Courant nominal : IMPV=4,35I_{MPV} = 4,35 A. Sachant que la puissance crête PcP_c fournie par tous les modules est de 3150 W et on désire une tension de sortie VV de 241,5 V. Question : 6. Calculer le nombre total NtN_t de modules constituant le générateur photovoltaïque. [2 pts] Afin de disposer de cette puissance, on doit utiliser une association mixte (associations série et parallèle) des modules (Voir figure 4). Question : 7. Calculer le nombre NsN_s de modules à mettre en série dans une branche pour avoir une tension du générateur V=241,5V = 241,5 V. [1 pt] Question : 8. Quel est alors le nombre NpN_p de branches à mettre en parallèle ? [1 pt]

Fig. 4: Association mixte (série et parallèle) des modules photovoltaïques

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Question 4: Ph=10456,73,6=837,5P_h = \frac{10 \cdot 45 \cdot 6,7}{3,6} = 837,5 W Question 5: Pe=837,50,610,9=1550,921551P_e = \frac{837,5}{0,6 \cdot 1 \cdot 0,9} = 1550,92 \approx 1551 W Question 6: Nt=PcPMPV=3150150=21N_t = \frac{P_c}{P_{MPV}} = \frac{3150}{150} = 21 Question 7: Ns=VVMPV=241,534,5=7N_s = \frac{V}{V_{MPV}} = \frac{241,5}{34,5} = 7 Question 8: Np=NtNs=217=3N_p = \frac{N_t}{N_s} = \frac{21}{7} = 3

Question 4: Application directe de la formule donnée pour PhP_h. Question 5: Application directe de la formule donnée pour PeP_e en utilisant les rendements. Question 6: Calcul du nombre total de modules en divisant la puissance crête totale par la puissance nominale d'un module. Question 7: Calcul du nombre de modules en série en divisant la tension totale désirée par la tension nominale d'un module. Question 8: Calcul du nombre de branches en parallèle en divisant le nombre total de modules par le nombre de modules en série.

Exercice 5·Facile

Tâche 5 : Détermination des caractéristiques de la motopompe 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 U=220U = 220 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 : IN=5,9I_N = 5,9 A ;
  • La vitesse de rotation nominale : NN=2800N_N = 2800 tr/min ;
  • PN=1,1P_N = 1,1 kW ;
  • cosφ=0,75\cos \varphi = 0,75. Question : 15. Calculer la vitesse de synchronisme NsN_s (en tr/min) et le glissement gg (en %). [2 pts] Question : 16. Déterminer la valeur de la puissance absorbée PaP_a. [1 pt] Question : 17. Quelle est la valeur du moment du couple utile TuT_u ? [1,5 pt]
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Question 15: Ns=60fp=60501=3000N_s = \frac{60f}{p} = \frac{60 \cdot 50}{1} = 3000 tr/min g=NsNNNs=300028003000=0,0666...6,7g = \frac{N_s - N_N}{N_s} = \frac{3000 - 2800}{3000} = 0,0666... \approx 6,7 % Question 16: Pa=UIN3cosφ=2205,90,7531686P_a = U I_N \sqrt{3} \cos \varphi = 220 \cdot 5,9 \cdot 0,75 \cdot \sqrt{3} \approx 1686 W Question 17: Tu=PNωN=PN2πNN/60=11002π2800/603,75T_u = \frac{P_N}{\omega_N} = \frac{P_N}{2 \pi N_N / 60} = \frac{1100}{2 \pi \cdot 2800 / 60} \approx 3,75 N.m

Question 15: Calcul de la vitesse de synchronisme NsN_s avec la formule Ns=60fpN_s = \frac{60f}{p} (où pp est le nombre de paires de pôles, ici 1 pour 2 pôles). Calcul du glissement gg avec la formule g=NsNNNsg = \frac{N_s - N_N}{N_s}. Question 16: Calcul de la puissance absorbée PaP_a pour un moteur triphasé avec la formule Pa=UIN3cosφP_a = U I_N \sqrt{3} \cos \varphi. Question 17: Calcul du couple utile TuT_u avec la formule Tu=PNωNT_u = \frac{P_N}{\omega_N}, où ωN\omega_N est la vitesse angulaire nominale en rad/s.

Exercice 6·Facile

Tâche 3 : Étude du transformateur de circuit de commande

Le circuit de commande et de signalisation du système est alimenté par l'intermédiaire d'un transformateur monophasé dont les tensions nominales sont : 230 V/ 24 V- 50 Hz. Le transformateur délivre au secondaire un courant nominal I2=25I_2 = 25 A.

Q.22-Calculer la puissance apparente S2S_2 pour une tension au secondaire U2N=24U_{2N} = 24 V. Q.23-Choisir alors la puissance SS du transformateur qui convient parmi les propositions suivantes : 160 VA, 250 VA, 400 VA, 630 VA, 1000 VA, 1600 VA Q.24-Sachant que la puissance fournie par ce transformateur est P2=550P_2 = 550 W et ses pertes totales sont Ppt=50P_{pt} = 50 W, calculer en % son rendement nominal η\eta.

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Q.22- S2=U2N×I2=24×25=600S_2 = U_{2N} \times I_2 = 24 \times 25 = 600 VA

Q.23- La puissance SS du transformateur qui convient est 630 VA.

Q.24- η=P2/(P2+Ppt)=550/(550+50)=550/600=0,9166=91,66\eta = P_2 / (P_2 + P_{pt}) = 550 / (550 + 50) = 550 / 600 = 0,9166 = 91,66 %

Q.22: Calculer la puissance apparente en multipliant la tension nominale secondaire par le courant nominal secondaire. Q.23: Choisir la puissance apparente standard la plus proche et supérieure à la puissance calculée. Q.24: Calculer le rendement nominal en divisant la puissance utile par la somme de la puissance utile et des pertes totales.

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Avec correction pas à pas, et un entraînement qui s'adapte à ce que tu rates.

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