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CHAINE D’ENERGIE

ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE

AGIR SUR LA MATIERE

D’ŒUVRE

? … ? … ? … ? …

MOE

MOS Energie ?… Energie ?… Energie ?… Energie ?…

COMPETENCES VISEES : - A3 (ANALYSER) : Appréhender les analyses fonctionnelle et structurelle pour identifier les fonctions des chaînes d'information et d'énergie et les constituants les réalisant ; A4 : Caractériser des écarts entre valeurs attendues et mesurées ; A5 : Apprécier la pertinence et la validité des résultats de mesure. - B1 (MODELISER) : Identifier et caractériser les grandeurs physiques agissant sur un système pour associer les grandeurs physiques aux échanges d'énergie et à la transmission de pui. ; décrire les évolutions temporelles des grandeurs ; B2 : Proposer un modèle de connaissance associé aux constituants d'une chaîne d'énergie. - C1 & C2 (RESOUDRE) : Choisir et mettre en œuvre une démarche de résolution pour la détermination des courants, tensions, énergies transmises ou stockées. - D2 & D3 (EXPERIMENTER) : Proposer, justifier et mettre en œuvre un protocole expérimental pour choisir les configurations matérielles du système en fonction de l'objectif visé, justifier le choix de la grandeur à mesurer, choisir et mettre en œuvre les appareillages, mesurer les grandeurs potentielles et les grandeurs de flux.

CADRE FONCTIONNEL

Synthétisez ci-dessous les différentes chaînes d’énergie étudiées sur les 3 systèmes "Radios Freeplay", "Chariot de Golf" et "Barrière Sympact".

Quelle différence fondamentale a la chaîne d’énergie des radios ? Quelles formes a l’énergie électrique dans ces 3 systèmes ?

SOURCES AUTONOMES D’ENERGIE ELECTRIQUE CONTINUE

Autonomie du chariot de golf Quand le chariot se déplace à la vitesse raisonnable de 4 km/h, les courants continus délivrés par la batterie sont les suivants : sur le plat, I = 8 A ; en côte, I = 16 A ; en descente, I = 4 A. A raison de 80% de plat, 10% de côtes et 10% de descentes, calculer le courant moyen Imoy délivré par la batterie. La capacité nominale est C20 = 24 A.h. Que vaut le courant nominal de décharge I20 ? A l’aide de l’abaque ci-après, calculer la capacité réelle de la batterie. En négligeant la consommation énergétique due aux démarrages, calculer la durée pendant laquelle le chariot pourra être utilisé.

Sciences Industrielles pour l’Ingénieur

TP série 4

Centre d’Intérêt 5 :

ALIMENTER en énergie Compétences :

MODELISER, RESOUDRE, EXPERIMENTER

SYNTHESE DE LA 4EME SERIE DE TP : Radios Freeplay, Chariot de golf, Barrière Sympact

Sources d'énergie monophasée, triphasée, continue Mesures de tensions, courants, puissances

COURS

TD

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?… ?… ?…

Energie stockée dans la batterie de la radio Freeplay S360 Des essais ont été effectués en laboratoire et ont conduit à une énergie stockée dans le ressort égale à 223 J pour un remontage complet (60 tours !). Sachant que la capacité de l'accumulateur est de 600 mA.h sous 2,4 V, déterminer l'énergie maximale qu’il peut stocker en W.h, puis le nombre de remontages correspondants du ressort. La radio à volume normal consomme 20 mA. Calculer l’autonomie que l’on peut espérer à la suite d’un remontage. Bilan énergétique de la production Déterminer ci-dessous l’énergie à la sortie de chaque étage de conversion, puis le rendement global. Conclure sur l’autonomie réelle. Réalisation de la génération d’énergie électrique CONTINUE

On se focalise sur la production d’énergie électrique par la génératrice à courant continu (appelée aussi "dynamo"). Placer un ampèremètre permettant de mesurer le courant de charge ou de décharge de la batterie.

Donner la condition de charge de la batterie, puis tracer le courant de charge. Tracer ensuite le courant de décharge.

Donner l’équation de UG ; sachant que la force électromotrice E = K.NG (NG = vitesse de rotation),

expliquer à quoi peut servir le train d’engrenages entre le remontoir et la génératrice.

En. Radio

D 2 2 3

4

5

U G

U B

I B G

I

UG

R

E

+

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u12

u23 u31

SOURCES D’ENERGIE ELECTRIQUE ALTERNATIVE

Génération d’énergie électrique ALTERNATIVE TRIPHASEE dans la radion Freeplay Eyemax Afin de supprimer les inconvénients de la radio Freeplay 360 (système à ressort bruyant, encombrant, ne pouvant être remonté que dans un seul sens tel que la ddp générée aux bornes de la dynamo permette bien la recharge de la batterie), la dynamo a été remplacée par un alternateur de petite taille accompagné d'un redresseur triphasé. Ainsi, plus besoin du ressort ni de la manivelle à sens unique. Les accumulateurs utilisés sont des Ni-MH, 1,2V, 1300 mA.h.

L'alternateur triphasé est constitué de 3 bobines/phase décalées de 120° dans l'espace du stator central. Le rotor externe et support des aimants est entraîné par la manivelle via le même train d'engrenages que dans la S360.

A vitesse suffisante, le flux des aimants coupé par les bobines de chaque phase permet d'engendrer une tension induite à leurs bornes, qui une fois redressée, va permettre de recharger la batterie d'accumulateurs.

L’allure de u12 est donnée ci-dessous. Superposer u23 et u31. Quel est le déphasage obtenu ? Le pont de diodes réalise la fonction uR = max (u12, u23, u31). Tracer uR ci-dessus.

Sachant que la vitesse de rotation est liée à la fréquence des tensions induites u12, u23 et u31 par f/6, et que u12(t) = k

(t), expliquer ce que provoque sur la génération d’énergie électrique : - une augmentation de la vitesse de rotation du remontoir ; - une inversion du sens de rotation du remontoir. L’énergie ALTERNATIVE MONOPHASEE délivrée par EDF (voir Annexe) à la barrière Sympact Placer ci-dessous les instruments permettant de visualiser la tension entre phase et neutre, ainsi que le courant provenant du réseau EDF. Quel est le rôle d’une sonde différentielle ?

Les oscillogrammes de v(t), i(t) et p(t)=v(t) x i(t) sont donnés :

SD

A

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Relever T, f, Veff. Calculer la puissance active Pmono absorbée par la barrière (moyenne de la puissance instantanée).

L’énergie ALTERNATIVE MONOPHASEE recréée par un convertisseur continu - alternatif (onduleur) Pour alimenter la barrière à partir d’une batterie, on utilise un convertisseur continu - alternatif

La tension Vs observée en sortie est :

Déterminer T, f. Calculer Vseff par la méthode des aires.

Si le convertisseur peut en plus délivrer 150 W de puissance maximale en sortie, peut-on brancher la barrière Sympact à la place de Rcharge ? En supposant un rendement de ce convertisseur égal à 85%, calculer le courant Ibat délivré par la batterie 12 V lors de l’alimentation de la barrière. L’énergie ALTERNATIVE TRIPHASEE nécessaire à l’alimentation du moteur asynchrone Avec 3 sondes différentielles sur les 3 phases d’alimentation du moteur (tensions "simples" filtrées), on obtient les oscillogrammes suivants :

Relever le déphasage entre chacune de ces tensions d’alimentation. Pourquoi la fréquence n’est plus de 50 Hz ?

Avec la seule tension v1(t) (phase 1 filtrée / neutre artificiel) et le courant dans la phase 1, on observe :

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Calculer la puissance active Ptri consommée par le système, en vous appuyant sur la formule :

Ptri = 3 .Vtri1 .Itri1 . cos .

En déduire le rendement de la conversion énergie

monophasée énergie triphasée. Récapitulatif : chaîne de conversion d’énergie pour une barrière sur site isolé, alimentée par batterie

ANNEXE : PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE ET DISTRIBUTION PAR RESEAU EDF fournit, par l’intermédiaire d’un réseau, de l’énergie électrique de type alternatif à fréquence et tension données. 1/ Production • Les centrales électriques (thermiques, hydrauliques, nucléaires, éoliennes, …) produisent un courant alternatif avec le même principe de fonctionnement : une force motrice (vapeur d’eau, vent, eau, …) fait tourner l’arbre d’une turbine, laquelle entraîne un rotor, partie tournante circulaire composée d’électro-aimants. • Un stator, partie fixe sur laquelle sont placées des bobines de fil de cuivre, entoure le rotor. Le rotor et le stator constituent l’alternateur. L’énergie mécanique produite par la turbine se transforme en énergie électrique grâce à l’alternateur.

Convertisseur : variateur de vitesse ATV 31

Monophasé : Pmono = ?…

Triphasé : Ptri = ?…

L1

L2 L3 N

MAS 3~

Vtri1

Itri1

Imono

Vmono =

?…

Continu : Pcont = ?…

Convertisseur : onduleur XPower Inverter

Rendement 89 % Rendement 85 %

= 12 V

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2/ Le transport et la distribution • Le système électrique comprend des sites de production (centrales nucléaires, thermiques, hydrauliques …) et des lieux de consommation (communes, entreprises …) reliés par un réseau électrique (transport et distribution). Ce dernier a pour rôle d’acheminer l’énergie vers les lieux de consommation, avec des étapes d’élévation et de baisse du niveau de tension dans des postes de transformation. • La tension à la sortie des centrales est portée à 400 000V (400 kV) pour limiter les pertes d’énergie sous forme de chaleur dans les câbles (ce sont les pertes par effet Joule). Ensuite la tension est progressivement réduite au plus près de la consommation pour arriver aux différents niveaux de tension auxquels sont raccordés les consommateurs.

Les aérogénérateurs (ou éoliennes) convertissent l'énergie du vent en électricité par l'intermédiaire d'une génératrice entraînée par les pales.